Центрифугирование

Под центрифугированием (труб, опор для линий электропередач и т.д.) в промышленности строительных материалов понимают процесс уплотнения неоднородных смесей в поле центробежных сил (рис.8.2).

(а) – роликовая; (б) – ременная; (в) – осевая

Рисунок 8.2 – Расчетная (I) и принципиальные (II) схемы центрифуг

Центробежная сила инерции, действующая на частицу смеси (рис.8.5):

, (8.5)

где т – ее масса; ω – угловая скорость вращения; r – радиус вращения центра тяжести частицы; G – вес частицы; g – ускорение силы тяжести; п – частота вращения центрифуги.

Существует понятие о критической окружной скорости, начиная с которой частицы под действием силы тяжести не будут отрываться от внутренней поверхности формы в верхнем положении. Для этого должно быть соблюдено условие Fц≥G,тогда

. (8.6)

Уплотнение смеси следует проводить при такой скорости вращения, которая обеспечивает необходимую начальную прочность достаточную для распалубки его и дальнейшей транспортировки. Для этого необходимо соблюдение равенства:

, (8.7)

где p_тр – уплотняющее давление, которое необходимо обеспечить на наружной поверхности трубы, чтобы при остановке центрифуги и при транспортировке изделия на последующие посты не происходило отслоения и обвала уплотнённой бетонной смеси, Па; А_нар – площадь наружной поверхности трубы, м².

Для элементарного кольца бетонной смеси радиусом r₁, толщиной стенки dr₁ и длиной l величина центробежной силы будет равна:

dF_ц = dm×ω²×r₁, H; (8.8)

dm = V_к×r = 2×p×r₁×l×r×dr₁, кг, (8.9)

где V_к – объем элементарного кольца, м³; r – плотность формуемой бетонной смеси, кг/м³; dm – масса элементарного кольца, кг.

Следовательно,

dF_ц = 2×p×r₁²×dr_l×ω²×r, H. (8.10)

Интегрируя формулу (8.10) в пределах от r до R, получаем:

F_ц = 2×p×l×r×ω²×= 2×p×l×r×ω²×(R³-r³)/3 = 2×p × l × r × (p×n/30)² × (R³ – r³)/3, Н, (8.11)

где R – наружный радиус трубы (внутренний радиус формы), м; r – внутренний радиус трубы, м.

Если принять участок трубы длиной 1 м, то А_нар = 2pR. Тогда требуемое давление формования будет равно:

p_тр = r×(p×n/30)²×(R³-r³)/(3×R), Па. (8.12)

Отсюда частота вращения центрифуги на стадии уплотнения ( ) составит:

= , об/мин. (8.13)

где ρ – плотность смеси (усредненная); R – наружный радиус изделия; r – внутренний радиус изделия.

Внутреннее давление, развивающееся в формуемой массе в результате действия центробежных сил, непосредственно воспринимается жидкой фазой. В результате этого возникает избыточное гидростатическое давление, под влиянием которого жидкость фильтруется. Фильтрация будет проходить до тех пор, пока сопротивление движению жидкости в поровых каналах формуемой смеси за счет ее уплотнения не сравняется с избыточным гидростатическим давлением. Гидростатическое давление изменяется по толщине изделия неравномерно. Оно минимально на внутренней поверхности и максимально на внешней. Поэтому вначале жидкость наиболее полно отжимается из наружных слоев массы и все в меньших количествах по мере приближения к внутренней поверхности. Отсюда и водосодержание массы неравномерно – оно больше во внутренних слоях и меньше во внешних. Для бетонных изделий из-за неравнопрочности внутренних и внешних слоев (в результате разного В/Ц) это имеет первостепенное значение.

Неравноплотность центрифугированной массы выражается не только структурной неоднородностью гидратированного связующего за счет отжатия из него воды и уменьшения толщины гидратных оболочек, но и в характере распределения зерен заполнителя по толщине изделия. Более крупные зерна за счет большей центробежной силы прижимаются к наружной поверхности, а мелкие зерна концентрируются ближе к внутренним слоям. Поэтому центрифугированные массы в отличие от вибрированных имеют меньшую однородность распределения зерен заполнителя по толщине изделия. Этот органический недостаток центрифугированных масс может быть устранен при послойном уплотнении.

При малых толщинах последовательно загружаемых и уплотняемых слоев отдельные фракции заполнителя распределяются в них более равномерно. В процессе уплотнения последующего слоя крупные зерна заполнителя внедряются во внутреннюю часть предыдущего слоя и вытесняют дисперсную часть связующего во внешнюю часть второго слоя. Аналогичные явления происходят и при уплотнении последующих слоев. В результате достигается более равномерная структура смеси по толщине изделия. Число слоев при раздельном их уплотнении при прочих равных условиях зависит от толщины стенки: чем она больше, тем больше должно быть уплотняемых слоев. Послойный способ формования целесообразно применять к смесям, имеющим большую разницу в массах отдельных частиц (например, бетонные смеси) и нежелательно для смесей, масса отдельных частиц которых близка по величине.

Уплотнение смеси методом центрифугирования производят в специальных машинах, называемых центрифугами. По способу закрепления форм различают центрифуги роликовые со свободным вращением форм, ременные с подвеской формы на бесконечных ремнях, огибающих холостые и приводные шкивы, и осевые или шпиндельные (рис. 8, II).

Осевые центрифуги имеют высокие скорости вращения и позволяют уплотнять более жесткие смеси. Недостаток их – сложность инструкции и трудность загрузки смеси в форму. Применяются они для производства относительно коротких изделий.

Роликовые центрифуги проще в изготовлении, однако их недостаток – значительный шум при работе. Кроме того, они требуют высокой степени сбалансированности формы, в противном случае возможно сбрасывание формы со станка. Ременные центрифуги менее чувствительны к балансировке форм, менее шумны при работе, но требуют повышенного ухода из-за износа ремней.