PROCESUL DE MARUNTIRE

1.1. Consideratii generale

Intr-o serie de procese ce se intalnesc in industria chimica, cocso-chimica, miniera, alimentara si industrii similare se impune ca materiile prime, produsele finite sau produsele intermediare, sa fie maruntite fie pentru accelerarea unei faze tehnologice, fie pentru obtinerea unui anumit produs din materia prima, fie chiar si numai pentru realizarea comercializarii produselor. Intensitatea multor procese depinde de marimea suprafetei materialului solid caruia i se aplica. Aria suprafetei are o mare importanta pentru vitezele de reactie, randamentele proceselor tehnologice si calitatea produsului final. In unele cazuri prin maruntire se urmareste modificarea dimensiunilor si granulozitatii materialelor, ceruta de faza tehnologica care urmeaza in cadrul procesului tehnologic.

Studierea proceselor de maruntire si a utilajelor aferente este deosebit de importanta datorita faptului ca operatia de maruntire este energointensiva si se urmareste scaderea consumului de energie necesar reducerii dimensiunilor materiilor prime la dimensiuni necesare prelucrarii ulterioare.

Generic, maruntirea poate fi definita ca operatia care are ca obiect reducerea dimensiunilor materiilor prime sau materialelor sub actiunea unor forte mecanice. Materialele solide supuse maruntirii au initial forme si dimensiuni geometrice foarte variate si proprietati fizico-mecanice specifice naturii acestora.

Procesul de maruntire sau reducere a dimensiunii se bazeaza pe studii probabilistice. Atat alimentarea unui utilaj cat si produsul rezultat se defineste cu ajutorul functiei de distributie a dimensiunilor particulelor, ceea ce exprima probabilitatea ca o particula de o anumita marime sa fie prezenta intr-un esantion de material de macinare. Scopul proiectarii unui utilaj de maruntire este acela de a determina conditiile necesare pentru cresterea probabilitatii de maruntire a particulelor cu anumite dimensiuni si pentru obtinerea unei distributii a dimensiunilor dorite la produsul final. Procesul de maruntire trebuie sa se realizeze in asa fel incat materialul prelucrat sa nu sufere modificari nedorite, cum ar fi impurificarea sau incalzirea excesiva.

Maruntirea materialelor solide se realizeaza prin operatii tehnologice de concasare, macinare, granulare, taiere.

Concasarea este operatia de sfaramare a unui material dur in bucati mai mici, cu ajutorul utilajelor speciale numite concasoare.

Macinarea este operatia de maruntire fina a materialelor. Ea se efectueaza cu ajutorul morilor.

Granularea este operatia de sfaramare a unui material dur, in bucati marunte, avand forme geometrice rotunjite.

Taierea este operatia de detasare sau desprindere a unei portiuni dintr-un material solid, prin strivire locala (ceea ce constituie taierea propriu-zisa), forfecare, despicare sau aschiere.

Maruntirea poate avea urmatoarele scopuri:

facilitarea sau grabirea operatiilor fizico-chimice prin cresterea suprafetei de contact intre fazele care participa la transferul de caldura sau de materie, cum este cazul dizolvarii unor substante, uscarii;

separarea constituentilor unui produs pana la limita in care fiecare particula reprezinta un component, acestia putand fi apoi separati prin cernere, flotatie etc;

necesitatea omogenizarii amestecurilor eterogene;

obtinerea finetii necesare pentru a conferi produselor caracteristicile cerute.

Operatia de maruntire este influentata de o serie de factori care sunt prezentati in tabelul 1.1.

Tabelul 1.1 Factorii care influenteaza maruntirea

Mecanismele maruntirii sunt diferite functie de constructia masinii in care aceasta este efectuata conform figurii 1.1:

In figurile 1.1, a, b se reprezinta schematic procesul de maruntire prin compresie si frecare, a unei particule sau a unui colectiv de particule. Suprafetele de lucru pot fi netede sau cu nervuri avand forma geometrica plana sau curba. Mecanismul de maruntire este specific concasoarelor cu falci, cu con si cu valturi. Maruntirea prin contact cinetic cu o suprafata dura (fig. 1.1, c) este intalnita la concasoarele cu ciocane fixe. In cazul concasoarelor cu ciocane articulate si a morilor cu bile sau bare, maruntirea se produce prin contact cinetic si frecare pe o suprafata dura, cum ar fi blindajul concasorului sau corpurile de macinare (figura 1.1, d). Granulele pot fi maruntite si prin ciocnire intre ele (fig. 1.1, e) asa cum se intampla in cazul morilor cu jet. Mecanismul maruntirii prin taiere, forfecare sau desprindere (fig. 1.1, f) se aplica materialelor solide cu rezistenta la forfecare mai mica de . Pentru domenii bine precizate, se folosesc mecanisme pentru maruntirea materialelor solide prin solicitari in medii gazoase sau lichide, in care sunt introduse aceste materiale.

Operatia de maruntire este evaluata prin gradul de maruntire definit de relatia:

unde: - dimensiunea medie a materialului alimentat;

- dimensiunea medie a materialului maruntit.

In functie de valoarea gradului de maruntire operatiile de maruntire pot fi impartite in doua grupe mari: sfaramare, cu ajutorul concasoarelor si macinare, cu ajutorul morilor. Termenul de macinare se foloseste si atunci cand materialul de maruntit este procesat impreuna cu un mediu de macinare in camere rotative sau oscilatoare. Acest lucru presupune contactul maxim intre mediu si material intre care au loc procese abrazive si de impact. Mediul de macinare poate fi format din bile de otel, bare de otel, bucati de material ceramic sau chiar bucati de material de macinat, caz in care macinarea se numeste autogena. Tabelul 1.2 prezinta clasificarea operatiilor de maruntire.

Tabelul 1.2 Clasificarea operatiilor de maruntire

Metoda optima de maruntire variaza in functie de material. De aceea alegerea ei tinand cont si de costul operatiei, presupune experienta, intelegerea practica a modului de utilizare a energiei precum si uzura partilor ce sunt in contact direct cu materialul de maruntit.

1.2 Teoriile maruntirii

Datorita faptului ca operatia de maruntire este una dintre cele mai costisitoare operatii, pentru rationalizarea procesului si implicit reducerea costurilor, au fost elaborate numeroase studii referitoare la determinarea factorilor care influenteaza maruntirea sau la perfectionarea utilajelor.

Fundamentele teoriei moderne a maruntirii au aparut in secolul al XIX-lea in Germania unde Rittinger in 1867 si Kick in 1885 au propus modele de calcul bazate pe aria suprafetei si respectiv pe volumul particulei de material. In 1951 Bond a dezvoltat o noua teorie numita "a treia", care este larg utilizata si in zilele noastre.

Charles a stabilit o teorie generala care permite calcularea energiei utile de maruntire, valabila pentru orice material supus maruntirii. Conform acestei teorii raportul dintre variatia energiei de maruntire, si variatia dimensiunii granulei, este negativ si invers proportional cu dimensiunea a granulei ridicata la o putere , ce depinde de natura materialului si conditiile de maruntit:

unde: - constanta de proportionalitate.

Energia utila de maruntire va fi:

Pentru valoarea relatia de mai sus se integreaza si astfel se obtine legea Kick-Kirpicev:

Potrivit legii Kick-Kirpicev energia necesara pentru maruntirea unor corpuri asemanatoare si omogene variaza direct proportional cu volumele sau greutatile acestor corpuri. Coeficientul corespunde consumului de energie, pentru maruntirea unei unitati de greutate a materialului de maruntit cu un grad de maruntire multiplu de zece.

Legea Kirpicev a fost verificata experimental si s-a observat o buna concordanta in cazul materialelor de dimensiuni mari dar erori importante in cazul materialelor de dimensiuni mici.

Pentru valoarea din relatia (1.11) se obtine legea Rittinger:

Potrivit legii Rittinger, energia utila de maruntire este proportionala cu cresterea suprafetei specifice a materialului. Coeficientul este egal cu consumul de energie necesar pentru formarea unei unitati noi de suprafata specifica.

Legea Rittinger verificata experimental da bune rezultate in cazul materialelor de dimensiuni mici.

Pentru valoarea din relatia (1.11) se obtine legea Bond:

Potrivit legii Bond, energia utila maruntire este egala cu diferenta dintre energiile continute de material dupa si inainte de maruntire.