KSZTAŁT ZIARN W PRODUKTACH KRUSZENIA

Transkrypt

1 Słowa kluczowe: Kształt ziarn, kruszywa,,dobór maszyn, Key words: shape of particles, aggregates, equipment selection Jerzy MALEWSKI Politechnika Wrocławska, KSZTAŁT ZIARN W PRODUKTACH KRUSZENIA 1. WSTĘP Kształt ziarn kruszyw budowlanych i drogowych jest jedną z ważniejszych cech jakościowych produktów przeróbki skał. Głównie z powodu roli jaką odgrywa w technologii produkcji betonów lub wypełniaczy mas bitumicznych, gdzie ma wpływ na gęstość szkieletu skalnego, zużycie cementu lub asfaltu, wytrzymałości konstrukcji budowlanych, właściwości reologicznych betonów, powierzchni czynnej w procesach chemicznych, etc. Kształt ziarn wpływa również na sprawność procesów klasyfikacji w technologiach przeróbczych i przetwórczych. Dlatego jest przedmiotem nieustannego zainteresowania geologów, technologów produkcji górniczej i budowlanej oraz konstuktorów maszyn w tej branży przemysłu. Jednocześnie kształt ziarn jest pojęciem umownym, gdyż nie daje się jednoznacznie określić. Jest wiele propozycji definiowania kształtu ziarn, które były lub są wykorzystywane zależnie od celu jakim służą. Na przykład, na potrzeby praktyki produkcyjnej i handlowej stosuje się standaryzowane metody oznaczania zawartości ziarn niekształtnych wg normy EN-PN 933-4, dotyczącej tzw. wskaźnika kształtu ziarn wg kryterium a/c 3 ors normy EN-PN dotyczącej tzw. wskaźnika płaskości ziarn. Rysunek 1 przedstawia sposób oznaczania tego wskaźnika, w którym o wyniku decyduje szerokość (b) i grubość (c) ziarn przesiewanych na sitach kwadratowych i szczelinowych. Rys. 1. Sposób oznaczania wskaźnika płaskości (wp) oraz indeksu płaskości: Linia niebieska krzywa płaskości czyli skumulowany rozkład szerokości ziarn (b) po przesiewie na sitach o oczkach kwadratowych, ale uzyskanych z przesiewu frakcji d D na sicie szczelinowym o prześwicie D/2 (czyli wg kryterium grubości ziarn c).; linia czerwona rozkład wymiarów b w granicach d D uzyskany na sitach z oczkami kwadratowymi, t/s indeks płaskości. W badaniach naukowych, które prowadzi się w celu ustalenia związków pomiędzy kształtem ziarn i właściwościami petrograficznymi (struktura, wielkość minerałów, itp.), fizycznymi (gęstość, wytrzymałość na ściskanie, ścieralność, nasiąkliwość, właściwości akustyczne, etc) poszukuje się bardziej złożonych sposobów opisu kształtu ziarn (analiza fraktalna, deskryptory Fouriera, ). Ale i tu nie znajdziemy jakiejś jednej uniwersalnej metody takiego opisu, jakkolwiek poszukiwanie takiej miary jest wcale interesującym zajęciem dla nauki. Praktyczna waga zagadnienia kształtu ziarn w kruszywach sprawia, że rynek kruszarek nie pozostawia tej kwestji bez odpowiedzi. Możemy więc bez trudu znaleźć 1

2 oferty maszyn różniących się sposobem rozdrabiania, np. dynamiką i kształtem komory kruszenia, ponieważ uważa się że akurat te czynniki mają największy wpływ na efekt rozdrabiania. Pojawiają się też publikacje, które w jakimś stopniu próbują uzasadniać rolę czynników geologicznych albo konstrukcyjnych na kształt ziarn produktów rozdrabiania. Niniejszy artykuł jest wkładem do dyskusji o tym problemie, który wcale nie jest nowy jak by to wynikało z niektórych współczesnych publikacji pojawiających się na łamach branżowych czasopism technicznych. 2. MIARY KSZTAŁTU ZIARN Nie ma zgodności autorów co do przyczyn wpływu właściwości skał na kształt ziarn produków rozdrabiania. Holt (1981) cytuje wiele źródeł na ten temat i stwierdza, że problem nie ma dobryh podstaw naukowych. Jednocześnie wiele autorów wskazuje sposób rozdrabiania (dynamika, grupowe) i konstrukcje maszyny (komory kruszenia, kształt elementów drobiących) jako głowne czynniki technologiczne wpływające na kształt ziarn produktów rozdrabiania (m.in.: Prace VTI 1937, Eibs 1977, Malewski 1990, Gawenda 2010). Jednocześnie Pahl i inni (1973) pokazują jak trudno zdefiniować kształt ziarn jednoznacznie, a Tourenq i Denis (1982) jak ta wiedza jest wykorzystana do kontroli jakości kruszywa. Kształt ziarn opisujemy słownie, jako kulisty, kubiczny, podłużny, płaski, wydłużony, nieredularny, regularny itp. Ale co znaczają te pojęcia w języku inżynierskim, czyli jak to można wyrazić za pomocą liczby?. W tym celu najczęściej próbujemy opisać każdą cząstkę w układzie przestrzennym jako bryłę oganiczoną prostopadłościanem o bokach a,b,c (długość, szerokość, grubość). Wtedy relacje pomiędzy tymi wielkościami mogą być użyte do charakteryzowania kształtu ziarn. Jedną z najstarszych jest klasyfikacja Zingga, który dzieli ziarna na kubiczne, płaskie, płasko słupowe i słupowe wg kryterium y=a/b i x=b/c, x,y=3. Tę koncepcję, ale w układzie 0 x,y 1 oraz rozbudowaną o statystyczną analizę rozkładów tych wielkości jak na rys. 2 wykorzystano w naszych badańniach tego zagadnienia (Malewski 1984). Rys. 2. Rozkład względnych wielkości kształtu ziarn kruszywa bazaltowego Wilczej Góry dla frakcji 8 12mm, w układzie Zingga (ale odwróconym do wartości x,y 1 (Malewski 1984)). Krzywa kreskowa jest granicą dla zbioru ziarn o wartościach (1/z)=(a/c) 3 uznawanych wg obecnych i dawnych standardów za ziarna niekształtne. Obszar zakreskowany oznacza zbiór ziarn traktowanych jako płaskie wg współczesnej normy na wskaźnik płaskości ziarna. Oczywiście nie jest to jedyny sposób przedstawienia kształtu ziarn. Znane są współczynniki kształtu Krumbeina, Bonda, Wadla, i innych Są miary oparte na bezpośrednich pomiarach pojedynczych cząstek, ale znane też są metody pośrednie, zwłaszcza w przypadku ziarn niewielkich rozmiarów Obecnie w praktyce produkcyjnej kruszyw drogowych i budowlanych stosuje się dwie miary: wskaźnik kształtu ziarn jako względna ilość ziarn zbioru 1/z>=3 oznaczonych suwmiarką Schulza, do ilości ziarn w próbie, oraz 2

3 wskaźnik płaskości oznaczony jako ilość ziarn przechodzących przez sito szczelinowe o wymiarze d =½D# wyznaczony w sposób jak to pokazano na rys. 1. Obie nie są doskonałe, gdyż wskaźnik kształtu pomija płaskość, zaś wskaźnik płaskości pomija wydłużenie (rys. 2). 3. KSZTAŁT ZIARN SKAŁ GRANITOWYCH I BAZALTOWYCH Próba wyjaśnienia związków między rodzajem skał i kształtem ziarn produktów rozdrabiania była przedmiotem naszych badań wykonanych na skałach bazaltowych pochodzących z 3 różnych złóż oraz 4 skał granitowych z 4 złóż (rys.3 i 4). Badania wykonano przez rozdrabianie skał w jednakowy sposób, w kruszarce szczękowej o gładkich powierzchniach szczęk. Z produktów kruszenia wydzielono po kilka frakcji zarnowych z których pobrano w sposób losowy próbki o liczebności co najmnij 100 ziarn, i które pomierzono wg długości, szerokości i grubości pojedynczych cząstek. Analizowano rozkłady wielkości x=c/b i y= a/b oraz relacje tych wiekości tj. z=x*y i w=x/y. a także wiele innych parametrów rozkładów, które tu pominiemy. Badania w kruszarkach poprzedzono szczegółową analizą petrograficzną i mineralogiczna probek użytych do rozdrabiania. Zauważmy, że miara z=x y jest odwrotnością wskaźnika kształtu ziarn oznaczanago za pomocą suwmiarki Schulza. Otrzymane rezultaty, które pokazano na rysunkach 3 i 4 nie pozwoliły wyciągnąć żadnych pewnych wniosków co do wpływu budowy geologicznej skał na efekt rozdrabiania. Podobne wnioski wyprowadzono z obszernych badań w tym zakresie przeprowadzonych na wielu odmianach skał granitowych (granity, diabaz, gnejsy, granitognejsy) w kruszarkach szczękowych, stożkowych i udarowych przez Szwedzki Instytut Dróg (1937). 0.5 GRANIT: Rozkład zmiennej z=c/a wg złoża i frakcji z=c/a Górka Strzelin Strzeblów Borów frakcja Rys. 3. Rozkład odwrotności wskaźnika kształtu ziarn wg złóż granitu i frakcji ziarnowych produktów rozdrabiania (Malewski 1984). z=c/a Bazalt: Rozkład zmiennej z=c/a wg złoża i frakcji Księginki Wilcza Góra Uniegoszcz frakcja Rys. 4. Rozkład odwrotności wskaźnika kształtu ziarn wg złóż bazaltowych i frakcji ziarnowych produktów rozdrabiania (Malewski 1984). 3

4 4. WPŁYW GEOMETRII POWIERZCHNI SZCZĘK I SZERKOŚCI SZCZELINY WYPUSTOWEJ KRUSZAREK NA KSZTAŁT ZIARN Wyniki badań w tym zakresie przedstawia m.in. Gawenda (2010) powołując się na badania Naziemca i innych z roku 2006, gdzie autorzy stwierdzają wyraźną zależność kształtu ziarn wskaźnika płaskości (mierzonego wg aktualnej normy) a szerokością szczeliny wypustowej i rodzajem ryflowania szczęk kruszarki. Różnice w ilości ziarn nieforemnych w testach kruszenia przeprowadzonych na skałach bazaltowych i żwirach w kruszarce szczękowej jednodźwigniowej z różnym układem geometrii powierzchni szczęk wynosiły od 7do 17%. Rys. 5. Rozkład ziarn nieforemnych wg wielkości ziarn produktów rozdrabiania w różnym układzie geometrii powierzchni szczęk (wskaźnika płaskości) uzyskane w laboratoryjnej kruszarce szczękowej (Gawenda 2010) Tymczasem wspomniane wcześniej badania laboratoryjne Szwedzkiego Instytutu Dróg (1937) przeprowadzone na wielu odmianach skał granitowych, diabazach, gnejsach, granitognejsach w kruszarkach szczękowych, stożkowych i udarowych nie wykazały istotnej różnicy w kształcie ziarn przy zastosowaniu szczęk gładkich i ryflowanych, z wyjątkiem różnic w wydajności. Natomiast poprawę kształtu zauważono w produktach kruszenia kruszarek udarowych. Badania wykazały, że płaskość kruszywa otrzymanego w kruszarkach szczękowych z ryflowaną powierzchnią szczęk jest nieco mniejsza niż w przypadku szczęk płaskich, ale już różnice w energochłonności były nieistotne. Podobnie wnioski wyciągnięto z porównania efektów rozdrabiania w kruszarkach z zakrzywioną i prostą szczęką ruchomą, gdzie nie stwierdzono istotnych różnic w ilości ziarn nieforemnych, 5. WPŁYW KONFIGURACJI SYSTEMU NA EFEKT ROZDRABIANIA Tego typu zagadnienie w kontekście kształtu ziarn produktów rozdrabiania było przedmiotem obszernych badań laboratorium drogowego Fińskiego Centrum Badawczego wykonanych w ramach programu badawczego ASTO (Heikkila i in. 1989). Badania wykonano w pięciu kopalniach fińskich na przemysłowych instalacjach wydobywczych i przeróbczych. Badane układy to 3-4 stadialne systemy rozdrabiająco-przesiewające. Badano rozkład ilości ziarn nieforemnych w klasie ziarn 8-12 zależnie od stadium procesu przeróbczego. Rysunek 6 ilustruje wyniki tych badań, z których należałoby wnioskować, że najkorzystniejsze produkty uzyskuje się w trzecim stadium kruszenia, czyli stadium, z którego pochodzą produkty finalne. 4

5 Rys. 6. Ilość ziarn płaskich i wydłużonych w produktach kolejnych stadiów rozdrabiania w pięcu instalacjach przemysłowych produkcji kruszyw wg badań fińskich (Heikkila i In. 1989). Stosowane kryterium ziarn nieforemnych: Kategoria Wydłużenie Płaskość (a/c) (a/b) A I II III Kształt ziarn produktów rozdrabiania w instalacjach przemysłowych był również przedmiotem naszych badań we współpracy z IMBiGS o/kielce w ramach programu CPBR 01.6 na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Badaniami objęto kruszarki typu 10.43,10.44, 10.63, polskiej konstrukcji oraz czeskie DKT i niemieckie Kubria, zainstalowane ówcześnie w zakładach przeróbczych w kopalniach bazaltu Gracze, Wilcza Góra i Uniegoszcz. Mierzono udział ziarn nieforemnych wg kryterium a/c we frakcjach 0-2, 2-8, 8-16 i uzyskanych z krzywych składu ziarnowego kruszarek i nadawy do tych kruszarek jako funkcja wielkości szczeliny wypustowej. Badania uzupełniono obliczeniami symulacyjnymi natężenia strumieni w systemie operacji rozdrabiania i klasyfikacji. Wyniki badań nie dały żadnych podstaw do twierdzenia o funkcjonalnej zależności pomiędzy parametrami maszyn a kształtem ziarn, ale stwierdzono różnice wyników wg kopalń Ilości ziarn nieforemnych w produktach kruszenia na instalacjach Wilczej Góry przewyższały znacząco podobne wielkości w pozostałych kopalniach. 6 WPŁYW KONSTRUKCJI MASZYNY NA EFEKT ROZDRABIANIA Jak widać z poprzednich rozdziałów wśród technologów nie ma jednoznacznej opinii w przedmiotowej sprawie i dobrego rozpoznania przyczyn wpływu czynników geologicznych lub technologicznych na kształt ziarn. Ale łatwo jest zauważyć, że kształt ziarn można poprawić przez obłamanie krawędzi kruszyw. Ten fakt wykorzystali konstruktorzy maszyn oferując konstrukcje takich komór kruszenia, w których panują skrępowane warunki rozdrabiania, albo w których droga (a więc i czas obróbki) cząstek jest wydłużona. Osiąga się to głównie w kruszarkach stożkowych o szerokich podstawach stożka wewnętrznego oraz konstrukcjach z małym tzw. pozornym stopniem rozdrabiania czyli stosunkiem r p =B/e szerokości paszczy do szerokości szczeliny wypustowej. Dlatego właśnie pierwsze stadia rozdrabiania charakteryzują się większym przeciętnym stopniem rozrabiania, a końcowe mniejszym. W przypadku kruszarek stożkowych na rynku maszyn oferowane są serie, w których poszczególne jednostki występują w kilku odmianach. Na przykład kruszarki Metso serii HP każdej wielkości występują w odmianie standardowej stożka i szerokiej (short head) oraz podziale na maszyny do rozdrabiania bardzo grubego, grubego, średniego, drobnego i bardzo drobnego. Podobnie jest w ofertach innych producentów. Innym sposobem jest wykorzystanie mechanizmu udarowego i ściernego które jest właściwe kruszarkom typu Barmac, gdzie w zasadzie zachodzi zjawisko obijania i wzajemnego ocierania cząstek skalnych w maszynach wirnikowych w osłonie skalnej. Właśnie tego typu maszyny stosowane są do poprawy kształtu ziarn w systemie przeróbczym Wilcza Góra. Analiza porównawcza efektywności rozdrabiania jest zróżnicowana zależnie od przyjętego kryterium. Bardzo orientacyjnie jest to obraz jak w tabeli, gdzie w skali 7- stopniowej oceniono plusy i minusy zastosowania maszyn do rozdrabiania skał zwięzłych. 5

6 Ocena: + korzystnie niekorzystnie, 0-nieistotnie Rodzaj Szczękowe 1- i 2-dzwigniowe Również stożkowe Gates Stożkowe Symons (Standard i short head) Udarowe-wirnikowe Kubizery (Barmac, Magotteaux, Weil, etc) r p Wydajność Kształt ziarn Zużycie metalu Skład ziarnowy Koszt eksploatacji 7. WNIOSKI Kształt ziarn jest obecnie i był w dalekiej przeszłości przedmiotem nieustannego zainteresowania technologów produkcji kruszyw i wyrobów budowlanych. Jest też przedmiotem ciągłych eksperymentów i innowacji konstrukcyjnych maszyn przeróbczych. 2. Kształt ziarn nie może być jednoznacznie i ściśle zdefiniowany, stąd wynikają różnice w interpretacji wyników badań i pomiarów wykonywanych w różnych laboratoriach, jak i trudności w analizach porównawczych wyników tych badań. 3. Praktyka przemysłowa i handlowa dla uniknięcia rozbieżności w tych ocenach jakości kruszyw stosuje odpowiednie normy branżowe, które nie są jednak wystarczające uniwersalne, by nadawały się bez zastrzeżeń do badań naukowych w tym zakresie. 4. Mimo wagi zagadnienia kontroli kształtu ziarn w procesach produkcyjnych i wytwórczych poziom wiedzy na ten temat nie jest budujący i warto się tym zajmować zarówno z powodów praktycznych jak i poznawczych. 5. Nie jest również dobrze rozpoznane zagadnienie wpływu składu ziarnowego nadawy na kształt ziarn, co ma znaczenie w końcowych stadiach rozdrabiania, gdzie stosowane są obiegi zamknięte nadziana. LITERATURA EIBS M., (1977) : Untersuchungen uber die grundsatzlichen Moglichkeiten der Kornformverbesserung in Zerkleinerungsmaschinen, Neu Bergbautechnik, 7. GAWENDA T., (2010), Rozdrabianie surowców skalnych w kruszarce szczękowej typu L44.41, cz.ii, Surowce i maszyny budowlane Nr 2. HEIKKILA P., JOKINEN J., MATIKAINEN R. (1998), The effect of blasting and crushing practice on the quality of pavement aggregate, Proc. of ASTO Conf., TRCF. HOLT C.B., (1981) : The shape of particles produced by comminution. A review. Powder Technology, 28. MALEWSKI J. (1984), A comparison of particle shape characteristics of crushed basalt and granite rocks, BULLETIN of the 'assocation internationale de geologie de l'ingenieur, Paris 6

7 MALEWSKI J., (1990), Analiza wpływu szerokości szczeliny wypustowej w kruszarkach na zawartość ziarn nieforemnych w produktach kruszenia i przesiewania, Raport, 1990 (nie publ.) PAHL M.H., SCHADEL Go,RUMPF H., (1973) : Zusammenstellung von Teilchenformbeschreibungsmethoden, AufbereitungsTechnik, 5, 10 PRACE VTI nr 55 (1937), Some investigations about crushers, Statens Vaginstitut, Stockholm TOURENQ C., DENIS A. (1982), Les essais de granulats, Rapport de Recherche LPC No