METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
ZMĚNY GRANULOMETRIE SYPKÉ HMOTY NA DOPRAVNÍCH TRASÁCH V APLIKACI NA DOPRAVU PÍSKU SIZE DISTRIBUTION REARRANGEMENT VIA TRANSPORT ROADS IN THE SAND TRANSPORT APPLICATION Petr Bortlíka Jiří Zegzulkab a
b
OSTROJ a. s., Těšínská 1586, 746 41 Opava, ČR,
[email protected] VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava – Poruba, ČR,
[email protected]
Abstrakt Jednou ze základních otázek kladné na dopravní linky je zabezpečení bezproblémového chodu dané dopravní linky, plynulá kontinuita toku sypkého materiálu, dostatečné dopravní množství pro plnění zásobníku, dobré vyprazdňování zásobníku, nezacpávání dopravních cest během dopravy, apod. A dalším neméně důležitým požadavkem je zabezpečení kvality dopravovaného produktu v závislosti na tom co je pro daný produkt důležité ať už to je granulometrie, stejnorodost, vyrovnanost barvy nebo struktury zrn apod. Ve slévárnách, ale i jiných odvětvích průmyslu se velmi často setkáváme s manipulací a dopravou s velkým sortimentem sypkých hmot. Spousta manipulovaných materiálů je ve formě prášku nebo sypké formě. Během následných výrobních procesů mnoho produktů prodělá proces mnohonásobné fáze uskladnění a manipulace. Jakost konečného produktu je požadována podle specifických kritérií, v některých případech se požaduje velmi přesná specifikace. Změna granulometrie na dopravní trase je jedním z mnoha rysů sypké hmoty, který negativně působí na jednotnost sypkých materiálů, zvyšuje problémy výroby produktu a také způsobuje mnoho problémů s dopravou a manipulací uvnitř průmyslového závodu. Příkladem může být dopravní linka v pískovně. Soustava pásových dopravníků dopravuje materiál do zásobníků, kde jsou již vysušené jednotlivé frakce písku uskladněny a poté dopraveny do nákladních aut a expedovány k zákazníkovi. Tímto procesem se ze zdánlivě banální suroviny stává velmi drahý produkt s garantovaným tvarem částic, barvou částic, úzké granulometrické třídy vhodných do akvárií, pro tenisová hřiště s umělým trávníkem, slévárny a řady dalších technologií. Kvalita produktu v procesu dopravy je tedy podmínkou úspěchu. Právě v tomto případě se může jednat o nevynucenou změnu granulometrie na dopravní trase, neboť dopravní systém je vybaven spoustou pásových dopravníků, korečkových elevátorů, podávačů a jinými zařízeními. Materiál prodělává mnohonásobné fáze pohybu a uskladnění a tím může docházet ke změně granulometrické skladby v prostoru a čase. Změna granulometrie na dopravní trase je vyvolána jakýmkoliv pohybem sypké hmoty. Tím je myšlen pohyb sypké hmoty (pohyb sypkého materiálu na přesypech, při nasypávání do zásobníku, při pohybu materiálu v zásobníku nebo při vyprazdňování zásobníku) jako takové, ne pohyb na pásovém dopravníku či korečkovém elevátoru a dalších. Tyto změny velikosti zrn nemusí být dány jen změnou granulometrie po dopravní trase, ale může se také materiál vlivem např. vysoké dopadové energie degradovat a tím získáme na výstupu z dopravní linky materiál o zcela jiné granulometrické skladbě, než byl do systému vložen.
1
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 1. DOPRAVNÍ LINKA PRO DOPRAVU PÍSKU Měření změny granulometrické skladby probíhalo v dopravním systému na sušení písku. Místem byla pískovna zabývající se výrobou sušeného písku, kde písek procházel dopravním systémem a rozděloval se do zásobníků sypkých hmot dle jednotlivých frakcí. V další fázi se ze zásobníků písek odváděl pomocí pásové dopravy, buď do automobilových cisteren, nebo na železniční vozy. Písek dodávaný v sušené a ostře tříděné formě musel být jednotného charakteru, pokud sušený písek nebyl dodán ve správné formě, tedy v dané garnulometrické skladbě odběratelé tento písek vraceli, což znamenalo pro dodavatele značné finanční ztráty.
Obr. 1 Dopravní linka pro dopravu písku Fig. 1 Sand transport service
Po natěžení byl písek dopraven pomocí soustavy pásových dopravníků k roztřídění dle velikosti zrna mokrou cestou. Po vytřízení byl písek nasypán na jednotlivé hromady dle velikosti zrna. Z jednotlivých hromad je písek odebírán a sušen na dopravní lince na výše uvedeném obrázku (Obr. 1). Z haldy písku byl kolovým nakladačem odebrán písek a vysypán do malé násypky nad pásovým dopravníkem. Než se písek dostal do sušící pece, byl v kontaktu se třemi pásovými dopravníky. V jednom případě ovlivňoval kvalitu písku zakrytý přesyp, v druhém případě šlo o malý pásový mezizásobník. Dále pomocí soustavy pásových dopravníků byl písek dopraven do sušící pece. Ze sušící pece byl tento písek přetříděn na sítě vibračního podávače, protože někdy v materiálu zůstávaly větve a kořeny po těžbě. Organickým příměsím se někdy podařilo dopravit se přes všechny dřívější překážky až k hrubotřídiči. Po zbavení písku nežádoucích předmětů byl písek dopraven pomocí pásového dopravníku do korečkového elevátoru. Korečkovým elevátorem dále vyzvednut nad chladící věže. V chladících věžích je písek ochlazen na požadovanou teplotu a opět kombinací pásového dopravníku a korečkového elevátoru dopraven zpět nad zásobníky sypkých hmot. Nad zásobníky je situován reverzační pásový dopravník, který plnil jednotlivé zásobníky dle dané frakce sušeného písku. Důsledkem této řízené technologie jsou producentem očekávány ve všech zásobnících přesně definované granulometrické frakce písku. Od zásobníků byl písek expedován soustavou pásových dopravníků na následnou finální železniční nebo silniční dopravu k specifickým prostředkům podle odběratelů. 2
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 1.1 Odebírání vzorků po dopravní trase Aby bylo možno určit, kde a jak se projevuje změna granulometrie, musíme určit oblast výskytu změny granulometrií. Pro určení místa výskytu, je použita metoda pomocí měření granulometrie kritických míst. Kritickými místy jsou zejména přesypy a všude tam kde se sypký materiál pohybuje samostatně (sypání na hromadu písku, zásobník, plnění do automobilu). Pomocí měření granulometrické skladby písku potom můžeme určit místo s největším zrnitostním rozptylem. Po prozkoumání dopravní trasy byly vytipovány kritická místa a časový harmonogram odběru vzorků. S cílem sledování stejného kontrolního objemu vzorku po celé dopravní trase. Tyto místa byla označena římskými číslicemi I-VII. Jak jsem již výše uvedl, jednalo se zejména o přesypy, ale také o místa kde se materiál pohybuje (gravitační, v korečkovém elevátoru. Měření probíhalo ve dvou fázích. Z důvodu prázdného zásobníku jsme odebírali vzorky nejprve z kritických míst I-V, tedy z kritických míst před zásobníkem. Po naplnění zásobníku jsme pokračovali v odebírání vzorků na zbývajících kritických místech. Po odebrání vzorků byly jednotlivé vzorky proměřeny pomocí laserového granulometru Mastersizer 2000 a určen zrnitostní rozptyl kritických míst. Z měření na laserovém granulometru budou porovnávány hodnoty d50 tzn. střední velikost částice. Písek - velikost d50 v různých fázích sušení (rozpětí od minima do maxima) 0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
d50 [mm]
0
ODBĚROVÉ MÍSTO I
1
ODBĚROVÉ MÍSTO II
2
Odběrová místa
3
4
ODBĚROVÉ MÍSTO III ; ODBĚROVÉ MÍSTO IV
ODBĚROVÉ MÍSTO V
5
ODBĚROVÉ MÍSTO VI
II L - vstup do pece II P - vstup do pece III - výstup z pece IV - výstup z chladiče V - vstup do sila VI - výstup ze sila VII - vstup do auta
6 ODBĚROVÉ MÍSTO VII 7
8
Graf 1 Graf hodnot sušeného písku d50 Graph 1 Graph of the d50 value of the dry sand
Tato měření byla velice časově náročná vzhledem k počtu odebraných vzorků a náročnosti měření. Tvary zrn lze sledovat na Obr. 2. Tvar zrn má vedle hmotnosti a granulometrie dominantní vliv na mechanismy inicializace vzniku změny granulometrie po dopravní trase tedy vznik segregačních tendencí. Dle (Graf 1) je vidět, jak se měnila granulometrická skladba písku po dopravní trase, než písek došel do sušící pece, držel si stálou granulometrii od 400 do 415 µm, po vysušení se 3
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ jeho granulometrie pohybovala ještě v menším statistickém rozmezí, a to od 402 do 412 µm. Po průchodu materiálu přes přesypy došel materiál k odběrovému místu IV, kdy až překvapivě byla jeho granulometrická skladba stálá od 380 do 405 µm. Taktéž v místě V není granulometrická skladba materiálu nijak výrazně rozdílná oproti předchozím místům a stále odpovídala kvalitativním požadavkům na produkt. Ovšem značné segregační tendence vznikaly u odběrového místa VI – tedy místa u výpustného otvoru zásobníku, kde oproti předešlým místům je nárůst rozdílu mezi maximem a minimem téměř pětinásobný.
Obr. 2 Foto písek Fig. 2 Scan of the sand
1.2 Místo výskytu segregačních tendencí – zásobník sypkých hmot Chování sypkých materiálů v zásobnících během plnění a vyprazdňování jsou s velkou pravděpodobností hlavním zdrojem segregace a tím i znehodnocování kvality produktů firmy. Zásady k porozumění jak a kdy se tato segregace uskutečňuje je zhodnocení tokových režimů, které převládají v různých zásobnících, a za různých okolností plnění a vyprazdňování. První a nejdůležitější rys tokového vzoru v zásobníku, je zda se smyk koná na všech kontaktních plochách mezi obsahem a stěnami zásobníku během plně vyvinutého výtokového stavu. Jestliže toto probíhá, nazývá se tento stav „hmotový tok“, z důvodu pohybu veškeré hmoty. Jestliže se tak neděje, nazývá se tento vzor „komínový tok“, podle charakteristického tvaru tohoto tokového kanálu v určitých případech, nebo „jádrový tok“, po umístění tokového kanálu v střední oblasti uloženého materiálu.
Obr. 3 Hmotový a jádrový tok v zásobníku Fig. 3 Mass and funnel flow in the silo
4
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Abychom mohli určit, o jaký typ toku v zásobníku se jedná, je nutné znát další charakteristické vlastnosti sypké hmoty – úhel vnitřního a vnějšího tření. Tyto hodnoty se většinou měří dle evropského standardu na Jenikeho přímočarém smykovém stroji. Princip měření úhlu vnitřního tření na Jenikeho smykovém stroji spočívá v měření časové závislosti smykové síly Sw, která je potřebná pro přetvoření sypkého tělesa ve smykové komoře prostřednictvím smykové zóny za působení normálového zatížení, a to pro danou hustotu sypkého materiálu (Obr. 4). Úhel vnějšího tření φw charakterizuje smyk částic sypkého materiálu po podkladovém materiálu. Úhel vnějšího tření je rovněž možné měřit pomocí smykového stroje a vyhodnocení provádět v rovině σ-τ. Mezní toková čára má zpravidla lineární průběh, pouze v některých případech kombinace kontaktu sypkého materiálu s polymerním podkladovým materiálem vykazuje křivkový (exponenciální) charakter (Obr. 4).
7
10
10
9
9
2
2 12
1
11
5
6
6
8
8
Obr. 4 Měření úhlu vnějšího a vnitřního tření Fig. 4 Measurement of angle of external and internal friction 1 – smyková miska, 2 – smykový kroužek, 5 – podstavec, 6 – držák závaží, 7 – twistovací páka, 8 – závaží, 9 – smykové víčko, 10 – tenzometr, 11 – podkladový materiál, 12 – stavěcí šrouby
Při plnění zásobníku se nahromadí a usazuje sypká hmota na stěnách. Pokud není sypká hmota homogenní, a jsou zde různé směsi, je zde možnost vzniku segregace. V případě středového plnění se větší částice shlukují a uzavírají na stěnách sila. Zatímco menší částice se shlukují ve středu. Od provozovatele nevíme, zda zásobník je plněn ze středu nebo násypné zařízení není ve středu zásobníku. Po pečlivém modelování pádových křivek a simulování procesu přepadu písku přes koncový buben se plnění zásobníku neděje středově, je tedy excentrické, což ještě zvyšuje segregační tendence. V případě jádrového toku materiálu, drobnější částice, které se nacházejí ve středu, opouštějí silo jako první. Hrubší částice jsou vysypávány jako poslední. V případě hmotového toku dochází samozřejmě také k částečné segregaci materiálu při plnění sila, avšak při následném vyprazdňování dochází k promíchávání jednotlivých vrstev. Jednotlivé vrstvy se plynule snižují k výsypnému otvoru zásobního sila. 5
METAL 2008 13. –15. 5. 2008, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 2. ZÁVĚR Kritickými místy na dopravních trasách z hlediska segregace jsou všechna místa změn energetického stavu částic. Je to především nasypáváním na hromadu, přesypy, svislá doprava (korečkový elevátor) a zásobník písku. Z hlediska segregace nelze zanedbat jediné místo na dopravní trase. Jsou dvě řešení vedoucí k cíli: nový soubor štíhlých zásobníků s poměrně malým průměrem (omezení segregační dráhy) a hmotovým tokem písku, vložení homogenizačního (antisegregačního) prvku do zásobníku, aktivací přechodových zón. Aktivací přechodových oblastí lze zvětšovat jejich objem, a tím zapojovat do procesu toku další vrstvy materiálu. Řízením tohoto procesu se dá dosáhnout zvýšení stupně homogenizace přímo v zásobníku, eliminace poruch atd. Možnosti aktivace přechodových zón: Pasivní – zvyšováním stupně využití potenciální energie skladovaného materiálu při její přeměně v kinetickou energii jednotlivých částic partikulární hmoty. To znamená, že je potřeba navrhnout podmínky toku partikulární hmoty tak, aby bylo maximální množství potenciální energie transformováno v kinetickou energii pohybující se partikulární hmoty. Pasivně se toho dá dosáhnout (v závislosti na tokových vlastnostech partikulární hmoty) geometrickým tvarem prostorového skeletu omezujícího siluetu tokových obrazců, vhodnou změnou směru toku, situováním pasivních prvků do prostoru tokových obrazců. Aktivní – přívodem dodatečné energie zvenčí do prostoru tokových obrazců. V technické praxi jsou aplikovány různé typy zařízení pracujících s tlakovou energií vzduchu, vody, inertního plynu. Další skupinou jsou zařízení využívající mechanické energie rázu, to jsou různé typy vibrátorů, mechanických kladiv, tlakové vody atd. Přiváděná energie může mít různou podobu doprovázenou originálním technickým řešením. Kombinace dříve popsaných principů. Do této skupiny patří především celková aktivní prstencová dna, jako jsou vibrující kroužky situované do prostoru tokových obrazců atd. Při volbě není většinou respektována energetická bilance toku, a tak mohou zařízení pracovat zbytečně neefektivně.
LITERATURA BORTLÍK, P. Eliminace segregačních mechanismů na dopravních trasách se zaměřením na zásobníky. Disertační práce. VŠB – TU Ostrava 2007.
6
