Автоматизация двухстадийного процесса дробления замкнутого цикла для непрерывного производства щебня с заданным соотношением фракций

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 — 5 мм., производительность сушильного барабана длиной 4800 мм. 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 ведет 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 бетоносмесительные установки большой производительности (до 180 м 3/час), что связано с потреблением большого количества фракционированного крупного заполнителя.

Из выше сказанного становится очевидным что, если в качестве критерия оценки процесса производства щебня на дробильно-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 фракциямобеспечить более эффективную разгрузку каменного материаласократить количество обслуживающего персоналаисключить внутризаводской транспорт, обеспечивающий доставку заполнителя к смесителюуменьшить 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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Получение щебня на месте производства строительных работ и устранение операций его складирования требуют принципиального изменения технологического процесса производства смесей за счет непрерывного приготовления фракционированного заполнителя в соотношении, заданном рецептурой смеси и подачи его в смесительную установку непосредственно после дробления.

2. Разработана рациональная по количеству и размещению дробильно-сортировочного оборудования непрерывная схема двухстадийного процесса дробления замкнутого цикла с применением на первичной и вторичной стадиях дробления дробилок с отличающимися зерновыми характеристиками, обеспечивающая снижение стоимости готовой продукции, энергоемкости и металлоемкости дробильно-сортировочного оборудования, сроков его монтажа и наладки, габаритов дробильных установок и повышение качества выпускаемых смесей.

3. Разработан алгоритм автоматического управления с соотношением фракций щебня инициированием необходимой совокупности управлений на основе анализа достижений текущими объемами дробленого щебня, установленных уровнем наполнения накопительных бункеров трех фракций. При это исключается отрицательное влияние на процесс заполнения накопительных бункеров времени транспортного запаздывания в управляемой технологической цепи переработки исходного каменного материала.

4. Разработаны критериальные функции оценки качественных характеристик процесса первичного дробления в виде интегральных оценок. Линейная интегральная оценка фиксирует значение суммарной технологической ошибки отклонения производительности щековой дробилки и, следовательно, изменение уровня заполнения камеры дробления. Квадратичная интегральная оценка позволяет оптимизировать процесс дробления по таким показателям качества, как нескомпенсированная погрешность, время регулирования и суммарная величина отклонения расхода.

5. Наилучшими качественными показателями стабилизации производительности первичной стадии дробления обладают системы регулирования величины разгрузочной щели щековой дробилки первичного дробления.

6.С учетом разработанных моделей агрегатов и устройств дробления-сортировки и их передаточных функций по основным каналам разработана схема моделирования процесса двухстадийного дробления замкнутого циклаисследовано влияние на систему возмущений производительности входного потока и физико-механических свойств материала.

7.Экспериментальные исследования подтвердили результаты, полученные теоретическим путем.