AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON

1. 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

2. 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

3. AZ AGYAG FOGALMA • 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≤Wmaxnedvességtartalom intervallumban formázás után alaktartó.

4. 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 kőzetekszialitos 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 A3S6H2 K2O*3Al2O3*6SiO2*2H2O • Talk(zsírkő) Mg3Si4O10(OH)2 M3S4H  3MgO*4SiO2*H2O

5. 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.

6. 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

7. AZ APRÍTÁS, ŐRLÉS ÉRTELMEZÉSE • Aprítás, őrlés: • 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

8. A KOLLERJÁRAT ELVI KIALAKÍTÁSA • 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

9. 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

10. 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

11. 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 = tperemfeltételekből a C1 és C2 integrálási állandókra a következő kifejezések adódnak: (6) (7)

12. 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) • Adp/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].

13. 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)

14. 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)

15. 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

16. 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.

17. 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)

18. 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-1deformációs sebességgradiens esetén, ha az agyagásvány dinamikus viszkozitása η1 = 103Pas

19. 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

20. 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 ηieffektív 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.

21. 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

22. 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

23. 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 • OpoczkyLudmila • Tamás Ferenc • Miskolci Egyetem  Pethő Szilveszter • Szaladnya Sándor KÖSZÖNÖM AZ ÖNÖK FIGYELMÉT!