ВВЕДЕНИЕ
Современные требования повышения качества строительства требуют увеличения прочности и долговечности строительных конструкций и аэродромных покрытий из цементобетона и дорожных покрытий из асфальтобетона. Важнейшим фактором выполнения этих требований является качество крупных заполнителей, расходы на заготовку и переработку которых составляют 30 — 40% стоимости строительства. Товарный щебень изготавливают путем дробления твердых горных пород магматического (гранит, сиенит, габбро, базальты и т.п.), осадочного ( известняки, доломиты, песчаники) и метаморфического ( гнейсы, кварциты, мраморы) происхождения.
Требования, предъявляемые к качеству твердых наполнителей строительных смесей, регламентированы ГОСТами и определяют основные механические, физические и химические свойства щебня. Эти требования включают в себя форму зерен (кубовидная, лещадная), удельную массу, пористость исходного материала, гигроскопичность, морозоустойчивость, прочность, зерновой состав и т.д. зерновой ( гранулометрический) состав товарного щебня определяется процентным содержанием в общей массе зерен определенной крупности. Среди всех возможных размеров зерен выделяют несколько диапазонов (фракций), необходимое соотношение между которыми определяет потребность того или иного строительного производства в щебне с определенным зерновым составом
Одним из основных свойств исходного сырья, оказывающего существенное влияние на качество конечного продукта, является его зерновой состав, определяемый крупностью доставляемых из карьера кусков породы. Крупность исходного сырья существенно влияет на величину усилий дробления, степень проходимости материала через бункеры, а также на степень заполнения рабочих органов транспортирующих машин.
Не менее важным структурно - геометрическими свойствами исходного сырья являются форма частиц материала и содержание в породе песчано — и
пылевых остатков, образующихся при разработке карьерных месторождений. По действующим отечественным стандартам зерна щебня в зависимости от соотношения между h и длиной / классифицируются на лещадные и кубообразные. К лещадным относятся зерна, у которых I / h > 3 все остальные зерна считаются кубообразными. Содержание лещадных зерен (по массе) в товарных фракциях не должно превышать 15%. Содержание таких зерен в щебне фракций 3-10 мм, используемого для производства железобетонных напорных труб, должно быть менее 15%, а для изготовления напорных труб не более 25%. Количество лещадных зерен в щебне, переменяемого для балластного слоя железнодорожного пути, не ограничивается.
К основным физическим свойствам исходного сырья следует отнести его объемную ( насыпную) массу и влажность. Механические свойства исходного сырья в основном оцениваются прочностью, хрупкостью и абразивностью. Прочность материала может достигать больших величин (порядка нескольких сотен Мпа), что оказывает существенное воздействие на показатели работы и износ дробильных машин. Кроме того, при повышении прочности породы уменьшается степень дробления камня и, как следствие, возрастает необходимость в дальнейшей доработке продукта, снижается производительность технологической линии. Хрупкость материала из - за его чрезмерного разрушения может привести к излишнему образованию «мелочи» в конечном продукте, абразивность определяет износ рабочих органов дробильно - сортировочной установки (ДСУ).
Технологический процесс выпуска строительных смесей состоит из двух фаз: производство щебня на ДСУ с последующим его хранением на складе и дозирование составляющих с выдачей готовой смеси на смесительных установках.
Приготовление крупного заполнителя по фракциям производится, как правило, двумя способами: дробление каменных материалов на месте
производства работ или доставка готового щебня с щебеночного завода или карьера.
На крупных месторождениях строятся стационарные заводы по производству нерудных строительных материалов. Применение передвижных дробильно—сортировочных установок (ПДСУ) позволяет использовать для строительства местные каменные материалы, что особенно эффективно при транспортном строительстве. В обоих случаях требуются накопительные склады, обеспечивающие хранение заполнителя по отдельным фракциям. Приготовленный в процессе дробления фракционированный щебень (ФЩ) подается в заданном соотношении в смесительное отделение.
При наличии промежуточных складов запасы щебня в течение рабочего сезона подвергаются воздействию окружающей среды. Вода, находящаяся в порах камня, замерзая, ослабляет его. При этом падает упругость, а вместе с ней и прочность материала. Нередко, вполне доброкачественный щебень портится уже на складе готовой продукции, засоряясь пылью и грязью при движении по нему различных транспортных средств (погрузчиков, бульдозеров, автомашин и т.п.). Таким образом, при хранении на складе готовый щебень подвергается действию ряда факторов, снижающих его качества. Это загрязнение, истирание граней при переработке на складе, перемалывание при надвижке бульдозером, повышенная влажность, замораживание и размораживание, приводящее к потере прочности зерен, расслоение при транспортировке, смешивание фракций, окисление под воздействием атмосферы.
Загрязнение, окисление и окатывание поверхности зерен щебня снижают активность его поверхности при взаимодействии с органическими вяжущими материалами.
Влажность заполнителя хранящегося на складе, часто не соответствует рекомендуемой. С увеличением времени воздействия атмосферных осадков водопоглощение щебня растёт и соответственно увеличивается в дальнейшем расход топлива на его сушку. Так, для асфальтосмесителей Д508-2А часовая
производительность 30 т/час гарантируется при абсолютной влажности материала равной 5%. При более высокой влажности производительность значительно падает. Установлено, что при повышенной влажности щебня и особенно фракций 0 - 5мм., производительность сушильного барабана длиной 4800мм. снижается на 65 - 75%. На бетоносмесительных установках (БСУ) переменная влажность фракционированного заполнителя (ФЗ) в значительной мере затрудняет определение оптимального водоцементного отношения, отрицательно влияя тем самым на качество бетонной смеси.
Воздействие отрицательных температур ведёт не только к его измельчанию, но и к необратимым изменениям структурно-механических свойств камня. Изменение прочности щебня под воздействием природных факторов экспериментально оценивалось по степени его измельчения от повторных нагрузок. После водонасыщения дробимость щебня возрастала. Водопоглощение щебня марки «400» составляло 7 - 8%; при таком содержании влаги можно ожидать разрушение структуры камня под воздействием отрицательных температур. В общем случае на прочность щебня, а вместе с тем и на долговечность дорожного покрытия оказывают влияние два одновременно действующих фактора: влага и замораживание.
Наличие складного хозяйства приводит к значительному увеличению капитальных и эксплуатационных затрат. Стоимость 1 м складской галереи почти в два раза выше стоимости 1 м здания, а расходы на сооружение складов составляют 30 - 50% общей стоимости ДСУ. Причём, чем больше ёмкость складов, тем выше капитальные затраты на его возведение и оснащение технологическим транспортным оборудованием. Одновременно растут эксплуатационные затраты связанные с обслуживанием складов. Складское хозяйство требует для своего размещения значительной территории. Особенно она увеличивается при строительстве аэродромов и автодорог с бетонным покрытием, так как приходится применять бетоноемесительные установки большой производительности (до 180 м 3/час),
¦ т
что связано с потреблением большого количества фракционированного крупного заполнителя.
Из выше сказанного становится очевидным что, если в качестве критерия оценки процесса производства щебня на дробилыю-сортировочных установках с промежуточными складами крупного заполнителя рассматривать качественные характеристики строительной смеси, то такой способ приготовления щебня надо признать малоэффективным. Современные условия выполнения строительных работ, быстро меняющаяся конъюнктура рынка и требования заказчика к ассортименту, качеству и стоимости готовой продукции, вызывают необходимость изменения сложившихся технологических стереотипов, в том числе и при производстве фракционированного щебня. Экономические показатели при сохранении регламентированного качества конечного продукта становятся превалирующими критериями оценки используемых технологий.
Одним из основных показателей снижения себестоимости строительных смесей является изменение технологий переработки фракционированного заполнителя за счёт устранения излишних складских операций. Получение фракционированного крупного заполнителя на месте производства строительных работ и устранение складских операций с готовым щебнем требуют принципиального изменения всего технологического процесса производства смесей. В основу работы ДСУ должен быть заложен принцип непрерывного приготовления фракционированного заполнителя в соотношении, заданном рецептурой смеси, и подачи его в смеситель непосредственно после дробления. Такая технология позволяет: исключить приёмные и разделительные устройства, препятствующие смешиванию заполнителя по фракциям; обеспечить более эффективную разгрузку каменного материала; сократить количество обслуживающего персонала; исключить внутризаводской транспорт, обеспечивающий доставку заполнителя к смесителю; уменьшить капитальные затраты, связанные со
строительством складов и оснащением их технологическим оборудованием для транспортировки щебня.
Совмещённый способ работы ДСУ и смесительного отделения сокращает количество операций перегрузки готовой продукции, время пассивного пребывания заполнителя на складах и тем самым создаёт условия для выпуска высококачественной смеси за счет сохранения повышенной активности свежераздробленного щебня при обволакивании его вяжущими материалами, при неокатанной кубической формы зёрен и снижения уровня загрязнения и засорения. Появляется возможность проектирования ДСУ совместно со смесителем в передвижном варианте. Это особенно актуально в связи с ускоренным развитием прирельсовых ДСУ, предназначенных для обеспечения фракционированным заполнителем передвижных бетоносмесительных установок небольшой производительности, при работе которых необходима частая смена района строительства. Попытки ручного регулирования многостадийного процесса дробления приводят к недопустимым количественным отклонениям отдельных фракций от задания, простоям узла дробления, снижению производительности смесителя на 20 - 25%, излишнему расходу каменных материалов, повышению затрат электроэнергии. Для получения заданного соотношения средней и крупной фракции заполнителя необходимо завышать производительность ДСУ, а излишки мелкой фракции вывозить в отвал. Совмещенная технология производства крупного заполнителя в заданном соотношении фракций не возможна без систем автоматизации, синхронизирующих процессы дробления и смесеобразования, исключающих нежелательные режимы переполнения дробилок и накопительных бункеров фракционированного щебня. Для реализации непрерывного способа производства фракций заполнителя в заданном соотношении с непосредственной подачи его в смеситель необходим выбор варианта автоматизации, требующего вариационного поиска оптимального варианта технологической схемы дробления, типа дробилок и их расстановки в технологической схеме, параметров управления процессом дробления.
ю
ГЛАВА 1.ТЕХНОЛОГИЯ И ДРОБИЛЬНО-СОРТИРОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗАВОДОВ И УСТАНОВОК ПО ПРОИЗВОДСТВУ
ФРАКЦИОНИРОВАННОГО ЩЕБНЯ 1.1. Качественные характеристики каменных материалов при
производстве фракционированного щебня.
Таким образом, задача непрерывного дробления-смешивания распадается на две иерархически самоподчиненных подзадачи статической оптимизации технологической структуры, и динамической оптимизации процесса с помощью системы управления со своими характеристиками оценки. . Эффективность решения обеих подзадач оценивается по степени выполнения требований к качеству конечного продукта - фракционированного щебня. Требования к щебню регламентированы соответствующими ГОСТами, определяющими разбивку его по фракциям в зависимости от технологического назначения. Так, например, для строительства автомобильных дорог с твёрдым покрытием должен использоваться щебень фракций: yi = 0 - 15мм., уг = 15 -25мм., уз = 25 - 40мм. (ГОСТ 9128-67). При совместной работе ДСУ и смесителя фракционированный заполнитель необходимо подавать после грохочения в заданном соотношении, которое определяется рецептом |» строительной смеси. Критерием оптимальности технологической структуры может служить такое, минимально необходимое, сочетание дробильных агрегатов в линии дробления, которое обеспечивает наиболее широкую область определения рецептов. Однако это выявит только потенциальные возможности технологической схемы, эффективная реализация которой определится выбранными управляющими воздействиями и алгоритмом управления.
Получение заданных соотношений трёх фракций заполнителя даже при наиболее эффективной схеме дробления и наиболее широком наборе управляющих воздействий, является сложной оптимизационной задачей в силу
целого ряда случайных, не подлежащих, как правило, прогнозированию,
^ факторов.
Для строительства автомобильных дорог высокого класса и нагруженных строительных конструкций требуется щебень, удовлетворяющий следующим требованиям:
Прочность - не менее 120 МПа, содержание лещадных зёрен - не более 15 - 20%, оптимальный зерновой состав.
За рубежом (Германия, Франция, Великобритания) для составления оптимального зернового состава выпускает шесть узких фракций, из которых легко составляется щебёночная смесь. Определение размера фракции производят рассевом на сетках с квадратными отверстиями, диагонали которых перпендикулярны сторонам обечаек. Выпускаются фракции: 2-5; 5-8; 8-11.2; 11.2-16; 16-22.4; 22.4-31.5мм. или 2-4; 4-8; 8-16;1б-22.4мм. Основному из выше перечисленных требований - прочности, удовлетворяет щебень, произведённый из изверженных пород, распространённых в России. К сожалению, по другим показателям российский щебень не удовлетворяет требованиям международных стандартов. Минимальное число необходимых фракций выбирается равным трем. Однако, отдельные дорожно-строительные
^ организации создают на территории БСУ и АБЗ свои дробильно-сортировочные установки, на которых из щебня, размером 5-40мм. получают фракции 5-10, 10-15, 15-20 и отсев 0-5мм., что требует дополнительных энергетических и финансовых затрат. Форма зёрен щебня на этих установках по данным СоюзДорНИИ не улучшается. Содержание лещадных зёрен находится в пределах 30-35%, а во фракции 5-10мм. достигает 55%. Границы фракций определяют на сетках с круглым отверстием, из чего следует, что одинаковый зерновой состав можно получить для материалов с разной формой зёрен. Исследования в области производства щебёночных материалов показали, что при дроблении исходных каменных материалов непрерывно
#, действующие случайные факторы влияют на соотношение фракций щебня и
12
производительность дробилок. Очень важно найти механизм комплексной оценки технологических возможностей дробилки в части обеспечения заданного соотношения отдельных фракций дробленого щебня. Для каждой дробилки должен существовать физически реализуемый интервал изменения рецепта - область определения рецепта, который будет определяться величиной разгрузочной щели и диапазоном её изменения. Конечно, такая характеристика может быть получена для некоторых наиболее вероятных стабильных параметров дробильного материала и уровня заполнения камеры дробления.
1.2. Технологические схемы дробильно-сортировочных установок
ДСУ могут работать в двух видах производственного цикла: открытом и замкнутом (рис.1.1 ).
При работе в открытом цикле (рис. 1.1.а) материал проходит через дробилку только один раз, при этом, обычно, куски конечного продукта получаются неодинаковыми по величине.
При работе в замкнутом цикле (рис.1.1.б) крупные фракции оставшегося на сите материала после сортировки возвращаются на повторное дробление. Нагрузка (циркуляционная) на дробилку в этом случае увеличивается, однако машина работает с большей производительностью, чем при открытом цикле и выдает более равномерный по размерам продукт. При замкнутом цикле дробления материал не переизмельчается, и уменьшаются расход энергии и износ рабочих органов дробилки.
Крупность исходного материала и требования к крупности конечного продукта определяют число стадий дробления пород, что является основным показателем, определяющим технологическую схему ДСУ или ДСЗ В настоящее время наибольшее распространение получили двух- и трехстадийные схемы дробления.
Двухстадийная схема дробления нашла широкое применение на заводах (установках) средней и большой мощности и при переработке материала с
13
кусками размером до 700-1000 мм.
Крупность исходного материала не позволяет получить в одной машине (стадии) дробление до крупности, например, 10-20, 20-40, и 40-70 мм. Количество сверхмерных кусков в дробленом камне в этом случае будет значительным, и это потребует установки дробилки для вторичного дробления (вторая стадия). В большинстве случаев на практике в качестве дробилки первой стадии используют щековые дробилки, а второй стадии -конусные. Это объясняется тем, что процент мелких фракций после дробления на щековой дробилке значительно больше, чем после дробления на конусной и, следовательно, применяя на первой стадии щековую дробилку, можно значительно сократить поток материала на вторичном дроблении, так как после первой стадии часть материала достигает требуемой крупности и будет отсортирована на промежуточном грохоте (рис. 1.1.6). Окончательная сортировка производится на втором грохоте. Иногда при небольшой производительности ДСУ при этой схеме используют только один грохот вместо двух.
Трехстадийную схему дробления применяют в основном на заводах большой производительности и при переработке исходного материала с кусками размером до 1200 мм и более. Эта схема является более гибкой и рациональной, так как обеспечивает выпуск в требуемых пределах как крупной, так и мелкой фракций и применяется в качестве основной при дроблении каменных пород высокой прочности.
В обеих схемах обычно используют замкнутый цикл дробления на последней стадии, как показано на (рис. 1.1)
1.3 Щековые дробилки
Щековые дробилки применяют, в основном, для первичного (крупного) и реже вторичного (среднего) дробления каменных пород любой прочности путем раздавливания или раздавливания и истирания одновременно. Щековые
14
а)
15
б)
Рис. 1.1 Схемы дробления: а - одностадийная в открытом цикле;
б - двухстадииная в замкнутом цикле
1 - питатель, 2 - щековая дробилка, 3 - грохот, 4 - бункеры, 5 - конусная
дробилка
16
дробилки отличает большая производительность, конструктивная простота, относительно невысокая стоимость, а также отсутствие необходимости в квалифицированном обслуживающем персонале.
Щековые дробилки характеризуются размерами загрузочного и разгрузочного отверстий. Размеры куска, поступающего в дробилку не должны превышать 0,85 размеров загрузочного отверстия, что определено условиями захвата куска щеками дробилки. Размеры загрузочного отверстия на 30-40 процентов больше размеров поступающего куска обеспечивают безотказность работы дробилки и необходимые условия для автоматизации процесса дробления [8]. Изменение ширины разгрузочного отверстия щековой дробилки позволяет получать дробленый материал определенного размера.
В зависимости от кинематических особенностей механизма щековые дробилки разделены на две группы (рис. 1.2.а). Каждая из групп разделена на подгруппы (при обозначении кинематической схемы первая цифра указывает на номер группы, вторая-номер подгруппы, третья-номер фигуры в этой подгруппе).
Группа 1 (рис. 1.2.а) - дробилки с простым движением подвижной щеки-машины, у которых передача движения от кривошипа к подвижной щеке осуществляется определенной кинематической цепью.
Траектории движения точек дробящей плиты представляют собой в данном случае прямые линии или части дуги окружности.
Подгруппа 1. Первой в этой подгруппе приводится схема (1.1.1) широко распространенной дробилки, оставшаяся неизменной с момента ее изобретения в 1858 г. Особенности траектории движения подвижной щеки, характерные для схемы. 1.1.1, сохраняются во всех схемах машин, приведенных в подгруппе 1.
Основные особенности схем подгруппы заключаются в следующем. Подвижная щека совершает качательные движения, центром которых является центр оси подвеса щеки. При этом наибольший размах качания (ход) имеет
17 |
