Курс лекций МЕХАНОХИМИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

• Курс лекций • МЕХАНОХИМИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

• Целями освоения дисциплины • «Механохимия неорганических материалов» являются: • 1. формирование у студентов инновационного мышления при рассмотрении процессов интенсивной механической обработки неорганических материалов; • 2. знакомство с основными понятиями и определениями процессов механической активации твердых неорганических материалов; • 3. ознакомление с возникающими при этом современными экологическими проблемами.

• результате освоения дисциплины обучающийся должен знать: • масштабы применения методов механической обработки в современном производстве; • основные понятия и определения, описывающие процесс интенсивной механической обработки твердых неорганических материалов; • принцип действия основных измельчительных устройств, основные технические параметры описывающие механически обработанные материалы;

• основные проблемы, возникающие сегодня перед человечеством при масштабном использовании методов интенсивной механической обработки и пути их решения; • место современных производств, связанных с масштабной переработкой минерального сырья и химических продуктов в естественных экосистемах; • методы снижения экологической нагрузки на экосистемы, с использованием современных методов механохимии.

• результате освоения дисциплины обучающийся должен уметь: • использовать свои знания при обсуждении теоретического и экспериментального материала; • пользоваться основными понятиями и определениями, используемыми при описании процессов механической обработки; • анализировать материалы подвергнутые интенсивной механической обработке; • разбираться в многообразии измельчительных систем, понимать особенности их работы;

• классифицировать материалы по механическим характеристикам и направлениям применения • анализировать материалы, полученные интенсивной механической обработкой;

• Овладеть навыками: • работы со справочной химической и научнотехнической литературой для решения возникающих вопросов; • работы с измельчительными устройствами, • проведения анализа характеристик обработанных материалов и возможностей их применения для получения химических продуктов различной природы и назначения; • использования теоретических и практических знаний для решения задач переработки материалов, сырья, отходов.

Тема 1 Основные понятия механики, способы механического воздействия.

Что такое технология? • Технология наука об использовании достижений естественных наук для развития методов производства сырьевых материалов и их дальнейшей переработки в средства производства и потребительские товары. 9

• В технологических процессах, несмотря на всё их разнообразие, используется в сущности один и тот же феномен - осуществление в исходных веществах изменений, приводящих к желаемому конечному результату. 10

• В течение двух последних столетий используются большей частью один, иногда два или три основных компонента технологии - изменение температуры и давления, воздействующих на вещества и катализ. Эти три компонента являются основополагающими и в современной технологии, технологии ХХ века. 11

Механическая активация • С 1950 г. начал формироваться новый компонент технологии, который теперь, спустя 60 лет, очевидно, приобретает не меньшее значение, чем предыдущие три. Этот компонент – механическая активация вещества, и в первую очередь - активация большой механической энергией. 12

• Более 60 лет назад, замечено, что при обработке в специально сконструированном дезинтеграторе, где частицы вещества получили 6 быстро следующих друг за другом ударов, при максимальной скорости удара 250 м/сек известково-песчаные смеси приобретают совершенно новые технологические свойства 13

Любой способ механической обработки сопровождается деформацией 14

Иллюстрация упругой деформации 15

Упругая деформация • Упругая деформация, которая исчезает при снятии нагрузки. Для этого деформация не должна превосходить некоторого предела, называемого пределом упругости; в противном случаев теле наблюдаются остаточные деформации. 16

17

18

19

20

21

22

23

24

• Закон Гука • F = - kx • где F — сила упругого сопротивления струны, x — линейное растяжение или сжатие, а k — так называемый коэффициент упругости. Чем выше k, тем жестче струна и тем тяжелее она поддается растяжению или сжатию. Знак минус в формуле указывает на то, что струна противодействует деформации: при растяжении стремится укоротиться, а при сжатии — распрямиться. • σ = E η • σ — механическое напряжение (удельная сила, приложенная к поперечной площади сечения тела), η — относительное удлинение или сжатие струны, а Е — так называемый модуль Юнга, или модуль упругости, играющий ту же роль, что коэффициент упругости k. Он зависит от свойств материала и определяет, насколько растянется или сожмется тело при упругой деформации под воздействием единичного механического напряжения. • 25

Пластическая деформация 26

Пластическая деформация • Пластическая деформация — изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Этот вид деформации представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. 27

Схема пластической деформации и вязкого разрушения 28

Пример пластической деформации: вытягивание проволоки 29

изгиб сдвиг 30

31

Пластическая деформация 32

33

Разрушение материалов 34

• Про чность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. • Свойство конструкции выполнять назначение, не разрушаясь в течение заданного времени. 35

• Хрупкость — свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Является противоположным свойству пластичности. 36

• Разрушение — это нарушение целостности материала, при котором прекращается процесс упругой и пластической деформации. 37

38

39

40

Тема 2 • Виды ударных воздействий в мельницах 41

Виды механического воздействия 1. стесненный удар • 42

В основе всех измельчительных устройств лежит явление разрушения 43

Планетарная мельница 44

Планетарная мельница 45

Виды механического воздействия 2. свободный удар 46

47

Струйная мельница 48

Схема движения материала в струйной мельнице 49

Различные способы возникновения напряжений при механическом воздействии на частицы твердого тела вызывают реакцию твердого тела в виде разрушения Модель «магма- плазмы» , объясняющая процессы, возникающие при ударе летящей частицы о поверхность твердого тела: 1 фрактоэмиссия; 2 неискаженная структура; 3 плазма; 4 разупорядоченная структура. 50

Fe Характер Si изменений (упругая или пластическая деформация, или же разрушение при заданной температуре зависит от химической природы вещества. 51

Согласно современнойтеории прочность реальных твердых тел определяется двумя факторами: 1. Структурная неоднородность – в реальном кристаллическом твердом теле всегда существуют области с ослабленными межатомными связями. Это могут быть границы зерен, стыки и др. При приложении внешних напряжений в этих областях возникают области – концентраторы напряжений в которых могут возникнуть напряжения близкие к пределу прочности при внешних напряжениях существенно ее меньших. Блочная структура кристалла 52

2. Динамическая гетерогенность. кроме структурной неоднородности твердым телам присуща также и динамическая гетерогенность обусловленная наличием термических флуктуаций. В. Р. Регель, А. И. Слуцкер, Э. Е. Томашевский. Кинетическая природа прочности твердых тел. Наука, М. (1974), 560 c. 53

флуктуационный разрыв межатомных связей в реальных твердых телах Т≈0 Р=0 Т>0 Р=0 Т≈0 Р>0 Т>0 Р>0 54

Механизм Возникновение концентрации напряжений в вершине трещины. F Р L x F область перенапряжения 55

56

Разрушение стройматериалов 57

Механическая обработка твердых материалов • Дробление • Измельчение • Тонкое, сверхтонкое и ультратонкое (ниже 5 мкм) измельчение. • Во всех видах механической обработки возникают и упругая и пластическая деформации, • завершающиеся разрушением материала 58

Дробление • Дробление (технология) — измельчение твёрдого тела до определенного размера • Дробле ние - это разделение материала на мелкие части. Cуществуют задачи дробления различных материалов: зерна, пластмасс, твёрдых бытовых отходов, биологических отходов, горной породы и др. 59

• • • Дробление разделяют на: 1. крупное (сотни миллиметров); 2. среднее (десятки миллиметров); 3. мелкое (единицы миллиметров) • • По применению разделяют дробилки для: твердых горных пород, мягких горных пород, продуктов и отходов металлургического производства, древесины, пластмасс, твердых бытовых отходов, биологических отходов. 60

Дробилка щековая использует принцип раздавливания Габаритные размеры Щековая дробилка с простым движением щеки Масса 280 кг 1600× 1100× 700 мм Мощность Производительность 1, 5 к. Вт 200 кг/ч 61

62

Механическая обработка твердых материалов • Смешивание тонких порошков (перемешивание). • Механо-химическая активация отдельных порошков и порошковых смесей. • Гомогенизация и приготовление паст и густых смесей. • Воздушная классификация, просеивание, грохочение. • Сверхкачественная (до 95%) гравитационная классификация в жидкости (вода, спирт и т. п. ) сверхтонких порошков (ниже 5 мкм). • Вихревая (распылительная) сушка. • Напыление порошков на поверхности. 63

Водяная мельница 64

Изображение механизма водяной мельницы 65

Ветряная мельница 66

Современные ветряные мельницы 67

Ударно-отражательная дробилка внешний вид 68

Движение материала в ударно-отражательной дробилке 69

Шаровая мельница 70

Шаровые мельницы 71

72

Вибрационная мельница и схема ее работы 73

Схема работы вибрационной мельницы 74

Планетарная мельница 75

Схема движения в планетарной мельнице 76

Дезинтегратор: а – общий вид; б – схематичное изображение; 1 – привод дезинтегратора; 2 – мелющие органы – билы; 3 – корпус дезинтегратора. 3 2 1 77

Дезинтегратор 78

ИЗОБРАЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОМОЛА ШЛАКА И ГЛИНЫ После помола До помола 79

Распределение частиц Na. Cl по размерам: а – для исходного образца; б – для однократно (1) и четырехкратно (4) обработанного в дезинтеграторе образцов 80

Распределение частиц по размерам частиц кремния: (а) - для исходного порошка кремния ручного помола (б) - для однократно (1) и четырехкратно (4) обработанных. • 81

Вибрационная мельница и схема ее работы 82

Схема работы вибрационной мельницы 83