AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON Habilitációs tudományos kollokvium Miskolc, 2011. január 20. AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON Dr. Gömze A. László egyetemi docens MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék http://keramia.uni-miskolc.hu femgomze@uni-miskolc.hu

AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON TEMATIKA Az agyagok és az agyagásványok Az aprítás és őrlés jelentősége és értelmezése A kollerjárat bemutatása és a vele történő aprítás elemzése Az agyagszemcsék keveredése és homogenizálódása a kollerjáraton történő aprítás közben Az agyagszemcsékben aprításkor ébredő mechanikai feszültségek elemzése A csúsztatófeszültégek (nyírás) meghatározása és elemzése A nyomófeszültség meghatározása és elemzése 6. Eredmények összegzése

AZ AGYAG FOGALMA d<10µm Auguszt Hermann SEGER (1878) Az agyag szubsztancia a laza, törmelékes kőzetek olyan frakciója, amelynek szemcsemérete: d<10µm 2. Albert ATTERBERG (1913) Az agyag olyan laza, törmelékes kőzetek alkotta nyersanyag, amelynek legnagyobb szemcsemérete: dmax<2µm 3. A mai álláspont szerint A tégla- és cserépgyártáshoz használt agyag olyan laza, törmelékes kőzet: amely agyagásványt tartalmaz, víz hozzáadásával a szilárd szemcsék halmazából képlékeny masszává alakul, képlékenyen alakítható, formázható, Wmin≤Wa≤Wmax nedvességtartalom intervallumban formázás után alaktartó.

AZ AGYAGÁSVÁNYOK Az AGYAGÁSVÁNYOK olyan természetes úton képződött hidroxidokban gazdag rétegszilikátok, amelyek: Határozott kémiai, és ásványi összetétellel rendelkeznek, Rendezett belső szerkezettel bírnak (de a hosszú távú rendet kristályhibák ronthatják!), Szilárd halmazállapotú vegyületekből – szilárd oldatokból – állnak, Többnyire földpát tartalmú kőzetek szialitos mállása révén keletkeznek szilárd fázisú átalakulási folyamatok eredményeként. NÉHÁNY agyagásvány Kaolinit Al2Si2O5(OH)4  AS2H2  Al2O3*2SiO2*2H2O Halloysit Al2Si2O5(OH)4*2H2O  AS2H4  Al2O3*2SiO2*4H2O Pirofillit Al2Si4O10(OH)2  AS4H  Al2O3*4SiO2*H2O Muszkovit KAl2(AlSi3O10)(OH)2 K A3S6H 2 K2O*3Al2O3*6SiO2*2H2O Talk (zsírkő) Mg3Si4O10(OH)2 M3S4H  3MgO*4SiO2*H2O

A HIDROXIDOK SZEREPE AZ AGYAGÁSVÁNYOKBAN HATÁSUK AZ ANYAGSZERKEZETRE Az OH- csoport egyedül, vagy az oxigénnel együtt tölti be az anion helyeket, Az OH- ionoknak köszönhetően zömmel rétegrácsos felépítésűek, A rétegek között a kötés van der Waals, vagy hidrogén kötés, Sokkal kevésbé stabil vegyületek, mint az oxidok, A kristályok táblás, lemezes szerkezetűek, a rétegekkel párhuzamos síkokban kiváló hasadási képesség, HATÁSUK A MECHANIKAI TULAJDONSÁGOKRA ÉS AZ APRÍTHATÓSÁGRA Nekik köszönhetően az agyagásványok relatíve kis keménységűek, A nyomószilárdság (Rp) többszöröse a nyírószilárdságnak (Rs) Ra >> Rb Összetett (nyíró, nyomó, hajlító, koptató,…) igénybevételnek kitéve hatékonyan aprítható, őrölhető.

AZ APRÍTÁS, ŐRLÉS JELENTŐSÉGE Szemcseméret csökkentése, fajlagos felület növelése; Homogén ásványi (kémiai) összetétel és szemcseszerkezet előállítása; Alakíthatóság, formázhatóság javítása; Hőkezelés, égetés során a végbemenő kémiai reakciók és átkristályosodási folyamatok elősegítése; Pórusméretek és pórusszerkezet befolyásolása; A késztermék anyagszerkezetének és mechanikai tulajdonságainak javítása, szilárdságának növelése. (Durva) (Finom) (Közepes) A szemcseméret és szemcseszerkezet hatása a fluiditásra és az égetett termék mechanikai szilárdságára öntött tűzállóanyagoknál Nishikawa (1984) és Jamamura (1995) szerint

AZ APRÍTÁS, ŐRLÉS ÉRTELMEZÉSE Az aprítási művelet modellezése d1 méretről  d2 méretre Keletkező új szemcsék száma: NK=n3 Keletkező új felületek nagysága: A=2*3*(n-1)*d12 A törési síkok száma: Nts=3*(n-1) Az aprítási fok: n=d1/d2 Az aprítási művelet modellezése

A KOLLERJÁRAT ELVI KIALAKÍTÁSA A kollerjárat elvi vázlata A kollerjárat, mint aprítógép: Száraz és nedves őrlésre egyaránt alkalmas; Az aprítást, őrlést a vízszintes tengely körül forgó mozgást végző görgők végzik egy vízszintes síkban elhelyezkedő őrlőtányéron; Az őrlőtányér lehet álló vagy forgó mozgást végző, perforált (rostélyos) vagy sima; Működésüket tekintve a kollerjáratok lehetnek folyamatos és szakaszos üzeműek. A kollerjárat elvi vázlata

A KOLLERJÁRATON TÖRTÉNŐ APRÍTÁS ELEMZÉSE A berendezés felfogható olyan ”hengerpárként”, ahol az őrlőtányér görbületi sugara: R2=∞; Az alkalmazott koordináta rendszer középpontja a mindenkori görgő-középponthoz képest rögzített, azaz a felvett koordináta rendszer a királytengely fordulatszámával forog; Ebben a koordináta rendszerben aprítás közben: - a görgő csak a saját tengelye körül végez forgómozgást; - a tányér „kerületi sebessége” megegyezik a görgő kerületi sebességével (mivel a koordináta rendszer a görgő kerületi sebességével elhalad a tányér felett). A matematikai (mechanikai) elemzéshez használt modell

A KOLLERJÁRATON TÖRTÉNŐ APRÍTÁS ELEMZÉSE A modell fontos elemei Bányanedves agyag reo-mechanikai anyagegyenlete: (1) Aprítás közben az agyag elemi térfogatára ható erők egyensúlyi állapotban vannak: ∑Fx=0, ∑Fy=0 és ∑Fz=0, (2) Az erőegyensúlyi állapot az ábra jelöléseivel: ahonnan: , vagyis: (3) A matematikai (mechanikai) elemzéshez használt modell

AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN Az aprítás közben kialakuló áramlási és deformációs sebességviszonyok meghatározásához célszerű a reológiai anyagegyenletet (1) behelyettesíteni a mechanikai egyensúlyi állapotot leíró (3) összefüggésbe. Ekkor: , (4) ahonnan kettős integrálás után kapjuk: , (5) Az u = v, ha x = 0 es u = v, ha x = t peremfeltételekből a C1 és C2 integrálási állandókra a következő kifejezések adódnak: (6) (7)

AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN A (6) és (7) kifejezéseket az (5) összefüggésbe beírva a tányér és a görgő közötti résben aprózódó masszában kialakuló áramlási és deformációs sebességviszonyokra adódik, hogy: (8) A dp/dy differenciál hányados meghatározható az átbocsájtási teljesítményből. A kollerjárat átbocsájtási teljesítménye tetszőleges t résméret-szelvénynél: (9) ahol: V1 – az időegységre jutó megmunkált agyagmassza térfogat a tetszőlegesen megválasztott t vastagságú résszelvénynél, [m3/s]; L – a kollerjárat görgőjének szélessége, [m]; u – az aprítódó massza „áthaladási” sebessége a t résszelvénynél, [m/s].

AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN A (8) kifejezést a (9) összefüggésbe beírva az integrálás elvégzése után a kollerjárat időegységre jutó átbocsájtási teljesítménye: (10) Ugyanakkor a kollerjárat V2 átbocsájtási teljesítménye a t0 névleges résméretnél: (11) Tekintettel arra, hogy V1=V2, a (10) kifejezés egyenlő a (11) kifejezéssel, ahonnan a nyomás-gradiens: (12)

AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN A (12) kifejezést (8)-ba visszahelyettesítve, az összevonások után a résben aprózódó agyagmasszában tetszőleges t résszelvénynél kialakuló deformációs- és sebességviszonyokra az alábbi összefüggés adódik: (13)

AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN Az ábra alapján könnyű belátni, hogy a (13) kifejezés csupán az n fordulatszámmal forgó királytengelytől, az L1 szélességű görgő r1 távolságban középen metsző síkra igaz. Kerületi sebesség a görgő palástfelületének belső szélén: (14) Közepén: (15) Külső szélén: (16) Elvi vázlat a görgő palást felülete „csúszásának” értelmezéséhez

AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN A (14), (15) és (16) kifejezésekből következik, hogy a kollerjáratok görgőinek palástfelülete a királytengely felőli oldalon a királytengely által r1b távolságra gerjesztett kerületi sebességhez képest (17) sebességgel „siet”, míg a görgőpalást külső oldalon (18) sebességgel „késik”! A fenti sebességkülönbségek jelentős mértékben hozzájárulnak az aprítási hatásfok javításához és a kollerjárat görgői alatt aprózódó agyagszemcsék térbeli keveredéséhez, homogenizálódásához.

AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK AZ AGYAGSZEMCSÉKBEN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ CSÚSZTATÓFESZÜLTSÉGEK MEGHATÁROZÁSA Aprítás közben az i-dik, görgő alatti résben a bányanedves agyagmasszában kialakuló u deformációs és sebességviszonyok x szerinti deriváltja: (19) A (19) kifejezést a bányanedves agyagmassza (1) reo-mechanikai anyagegyenletébe behelyettesítve és megoldva az aprítás közben ébredő csúsztatófeszültségre kapjuk, hogy: (20)

AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK AZ AGYAGMASSZÁBAN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ CSÚSZTATÓFESZÜLTSÉG A KEMA 18900/S KOLLERJÁRAT PÉLDÁJÁN A KEMA 1800/S típusú kollerjárat i-edik görgője alatti résben aprítódó a görgő palástfelületéről t/4 távolságra levő szemcsében ébredő csúsztatófeszültség alakulása az „y” tengely mentén, du/dx=1.0 s-1 deformációs sebességgradiens esetén, ha az agyagásvány dinamikus viszkozitása η1 = 103 Pas

AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK AZ AGYAGSZEMCSÉKBEN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ NYOMÓFESZÜLTSÉG A (19) összefüggés x szerinti deriváltját a (3) kifejezésbe behelyettesítve kapjuk: (21) ahonnan: (22) A mellékelt ábra jelöléseit alkalmazva: (23) Az i-edik görgő ds elemi ívhosszának értelmezése

AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK A (23) kifejezést a (22) összefüggésbe behelyettesítve az i-edik görgő alatti nyomásviszonyok: (24) A (24) kifejezés jól szemlélteti, hogy a bányanedves agyagok kollerjáraton történő aprításkor az ébredő nyomófeszültségek nagysága az agyagmassza ηi effektív viszkozitásától, a ti/t0i aprítási foktól, a tányér és a görgő közötti résben elfoglalt helyzetétől, valamint a kollerjárat konstrukciós paramétereitől – a görgők sugarának és szögsebességének nagyságától – függ.

AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK A palástnyomást előidéző „koncentrált” erő alakulása az aprítási fok függvényében bányanedves agyagásvány KEMA 1800/s kollerjáraton történő aprításkor; Li= 0,5m, Ri = 0,9m; ωi = 1,5s-1, (ηi értéke függ a masszában kialakuló sebességgradiens nagyságától!) A palástnyomást előidéző „koncentrált” erő alakulása a görgőpalást kerületi sebességének függvényében bányanedves agyagásvány KEMA 1800/s kollerjáraton történő aprításkor; Li= 0,5m, Ri = 0,9m és az aprítási fok a = 8

EREDMÉNYEK ÖSSZEGZÉSE A (13) összefüggéssel sikerült leírni a kollerjárat görgője és tányérja közötti résben aprítódó agyagmasszában kialakuló deformációs- és sebességviszonyokat. A (13) összefüggés a (17) és (18) kifejezésekkel együtt választ ad a kollerjáratokon történő aprításkor megfigyelhető intenzív keverő és homogenizáló hatásra is. A (20), illetve (24) kifejezések jól mutatják, hogy az ébredő mechanikai feszültségek nagysága függ: Az agyagmassza effektív viszkozitásától; A görgő és a tányér közötti résben elfoglalt geometriai helyzettől; Az aprítási fok nagyságától; A kollerjárat geometriai és konstrukciós paramétereitől. (24) A (24) kifejezés jól szemlélteti, hogy a bányanedves agyagok kollerjáraton törté

KÖSZÖNÖM AZ ÖNÖK FIGYELMÉT! KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS BLAGODARNOST Őszinte köszönetemet fejezem ki alábbi orosz és magyar mestereimnek, professzoraimnak: Baumann Intézet (Moszkva)  Szapozhnikov M. J.  Eler A. E. Építőmérnöki Egyetem (Moszkva)  Szilenok Sz. G.  Turenko A. V.  Martinov D. P. Mengyeleev Vegyészeti Egyetem (Moszkva)  Pavluskin H. M.  Balkievits V. L. Veszprémi Egyetem  Juhász Zoltán Opoczky Ludmila Tamás Ferenc Miskolci Egyetem  Pethő Szilveszter Szaladnya Sándor KÖSZÖNÖM AZ ÖNÖK FIGYELMÉT!