9.2. Центробежное формование (центрифугирование)

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

При центрифугировании воздействие на тело или обрабатываемую среду осуществляется центробежными силами. Машины, в которых осуществляется такое воздействие, называются центрифугами. Центрифуги предназначаются для разделения смесей на составные части, осаждение частиц, взвешенных в жидкости, уплотнения различных сред и других целей.

Центробежная сила инерции, действующая на частицу смеси:

(7.33)

где т – масса частицы тела; ω — угловая скорость вращения; r — радиус вращения центра тяжести частицы; G — вес частицы; g — ускорение силы тяжести; п — число оборотов.

Существует понятие о критической окружной скорости, начиная с которой частицы под действием силы тяжести не будут отрываться от внутренней поверхности формы в верхнем положении (рис. 9.5, 1). Для этого должно быть соблюдено условие F_ц ≥G тогда

Уплотнение смеси следует проводить при такой скорости вращения, которая обеспечивает необходимую начальную прочность изделия, достаточную для распалубки его и дальнейшей транспортировки.

Обычно начальная прочность свежеотформованной трубы характеризуется величиной уплотняющей силы на наружной поверхности

где F_ц – центробежная сила; А_нар – наружная поверхность трубы; ρ — плотность смеси (усредненная); ω — угловая скорость; g — ускорение свободного падения; R — наружный радиус изделия; r — внутренний радиус изделия.

Зная необходимую прочность наружной поверхности трубы R', можно рассчитать требуемое число оборотов центрифуги

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. Так, 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 к 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 более 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.9.5, II).

Рис. 9.5 Расчётная I и принципиальные II схемы центрифуг:

а – роликовой; б – ременной; в - осевой

Осевые центрифуги имеют высокие скорости вращения и позволяют уплотнять более жесткие смеси. Недостаток их — сложность конструкции 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 работe, но требуют повышенного ухода из-за износа ремней.

Роликовая центрифуга Полуформы для центрифуг

Ременная центрифуга