Основными процессами технологической цепочки производства сухих строительных смесей, оказывающих существенное влияние на их эксплуатационные характеристики, является: подготовка сырьевых компонентов, их дозирование и смешивание, распределение малых химических добавок и премиксов в основной массе продукта.

Однородность материала, является основой требуемого качества современных строительных смесей. От того, насколько равномерно отдельные компоненты будут распределены в основном объеме смеси, напрямую зависят эксплуатационные характеристики получаемого продукта. Даже небольшое отклонение содержания малых добавок, вызванное плохим их распределением, может негативно сказаться как на физико-механических, так и на технико-эксплуатационных свойствах смеси.

Именно по этим причинам смесительный узел по праву считается наиболее ответственным участком завода по производству сухих строительных смесей. Соответственно, выбор смесительного оборудования, является важнейшим шагом на пути получения высококачественного продукта.

1. Показатели однородности смеси - зависимость от степени энергетического воздействия

Сегодня смешивание сыпучих материалов превратилось в особую отрасль технологических знаний, которые основываются на механических процессах, цели которых – обеспечить максимально высокую степень совмещения отдельных компонентов в конечном продукте или смеси. При этом основным критерием, определяющим эффективность смесительного агрегата, помимо показателей однородности смеси, является расход энергии, необходимой для получения продукта требуемого уровня совмещения компонентов. Максимальный экономический эффект от использования смесительного оборудования достигается только при правильном сочетании таких параметров обработки материалов, как интенсивность воздействия рабочих органов, оптимальной энергонапряженности процесса смешивания и гранулометрического состава используемых компонентов.

Многочисленные лабораторные исследования, а также производственная практика, убедительно доказывают, что основные физико-химические процессы с участием отдельных компонентов, протекают тем интенсивней и полней, чем выше показатели однородности смеси. Эффект от использования химических добавок в производстве сухих строительных смесей, также напрямую зависит от того, насколько равномерно эти добавки распределены в основном объеме продукта.

Учитывая вышесказанное, общее стремление к увеличению степени совмещения отдельных компонентов смеси становится вполне понятно. Однако, получение гомогенных смесей, процесс достаточно дорогой, требующий, прежде всего, высоких затрат энергии, поэтому в современных технологиях, зачастую выбирается не оптимальная степень совмещения компонентов, а всего лишь минимально достаточная или практически достижимая при использовании смесительных агрегатов «классической» конструкции.

Сегодня получение некоторых видов материалов строительного назначения не возможно без использования смесительного оборудования, способного обеспечить необходимый уровень однородности смеси. В составы сухих строительных смесей входит большой ассортимент компонентов, при этом целый ряд составляющих вводится в малом количестве (0,05-0,5%), однако их влияние на формирование свойств растворных смесей и растворов чрезвычайно велико.

В то время, когда составы строительных смесей постоянно усложняются, соответственно повышаются и требования, предъявляемые к смесительному оборудованию. Зачастую то, что еще вчера обеспечивало требуемый уровень однородности смеси, сегодня является серьезным препятствием на пути получения конкурентоспособной продукции современного уровня качества.

Зачастую смесительное оборудование, используемое на отечественных заводах по производству сухих строительных смесей, не в полной мере отвечает возрастающим требованиям к однородности получаемого продукта. Недостаточная техническая вооруженность предприятий, малоэффективные и громоздкие технологические схемы производства, часто не позволяют обеспечить современный уровень качества и, что особенно важно, стабильность заданных характеристик строительных смесей сложного состава. Признавая огромное значение наиболее важной технологической операции, а именно, смешиванию компонентов, необходимо отметить, что оборудование, предназначенное для производства смесей высокого уровня совмещения компонентов, на отечественных предприятиях используется достаточно редко.

Вместе с тем, в последнее время практически во всех отраслях технологических знаний фиксируется стойкая тенденция к более глубокой переработки сырьевых материалов с целью повышения их полезных свойств, увеличения эффективности использования смешанных компонентов в составах смесей, а также усиления степени воздействия химических добавок - модификаторов.

Исследования, посвященные повышению однородности многокомпонентных смесей, проводившиеся как в нашей стране, так и за рубежом, позволяют составить общее представление о процессах, влияющих на основные физико-химические и технологические свойства смешиваемых материалов. На основании научных работ и многолетней производственной практики, сегодня можно с уверенностью сказать, что увеличение степени совмещения компонентов смеси, повышение однородности, снижение энергетических и эксплуатационных затрат, могут дать лишь способы, обеспечивающие высокую интенсивность энергетических воздействий на смешиваемые компоненты.

Однако, смесительное оборудование, традиционно используемое в производстве сухих строительных смесей, зачастую попросту не в состоянии обеспечить оптимальный уровень однородности смеси.

В сложившейся ситуации, когда существующее технологическое оборудование, как и сама реализуемая ими модель смешивания, практически полностью исчерпали возможности дальнейшего улучшения, особую опасность представляет распространенное заблуждение, что достигнутый уровень однородности смеси является вполне достаточным и дальнейшее его повышение экономически не целесообразно. При этом забывается тот факт, что производственная практика получения смесей высокого уровня однородности, зачастую останавливается именно на грани экономичности, обусловленной самим типом применяемого смесительного оборудования.

В производстве сухих строительных смесей, возможности получения материалов высокого уровня совмещения компонентов, используются достаточно редко вовсе не из-за того, что они не улучшают свойства конечного продукта, а только потому, что при использовании «классических» схем перемешивания лучшие результаты не покрывают расходов на получение более однородной смеси.

В то же время, применение смесителей-интенсификаторов в производстве сухих смесей, позволяет обеспечить оптимальный уровень механического нагружения смешиваемых материалов и открывает, поистине, невиданные возможности переработки сырьевых компонентов различного происхождения, снижения расхода вяжущих веществ, экономии химических добавок и т.д. Смесители высокого уровня энергетического воздействия, позволяют совершенно по-новому взглянуть на основные технологические переделы в производстве современных материалов строительного назначения, пересмотреть не только устоявшуюся практику использования химических добавок, но и существенно расширить основной ассортимент смешиваемых материалов.

Так, применение смесителей-интенсификаторов позволяет проводить одновременную обработку большого числа сырьевых компонентов независимо от их количественного и качественного соотношения, прочности, плотности и влажности. Интенсивное перемешивание в энергонапряженных смесительных агрегатах, также оказывает положительное влияние на эффективность использования модифицирующих компонентов строительных смесей, соответственно, эффект от их применения может быть значительно усилен путем объединения возможностей модифицирующих добавок с преимуществами оригинального способа обработки порошкообразных веществ.

В производстве сухих строительных смесей с применением смесителей-интенсификаторов экономия химических добавок достигает 25-40%, а в отдельных случаях 50-70%. При достаточно высоком уровне энергетического воздействия при смешивании, значительно снижается расход цемента в штукатурных смесях и шпаклевках, кардинально улучшается качество распределения армирующей фибры в основной массе продукта.

Использование средств и методов интенсивного смешивания позволяет серьезно пересмотреть основные рецептуры модифицированных строительных смесей и технологию их производства, при этом, усиление степени воздействия химических добавок на физико-механические и технологические параметры приготавливаемых строительных смесей, приводит к значительной экономии дорогостоящих компонентов.

С учетом вышеизложенного возникает вопрос, является ли рациональной, как сама реализуемая сегодня модель перемешивания, так и смесительное оборудование «классической» конструкции, применяемое в производстве сухих строительных смесей? Имеют ли перспективы дальнейшего развития методы повышения степени однородности смеси, основанные на принципах увеличения интенсивности энергетических воздействий?

Действительно ли процесс совершенствования конструкции смесителей циклического действия, путем их оснащения дополнительными механическими устройствами, улучшающими распределение отдельных компонентов, является прогрессивным? Или приемы и способы повышения однородности смеси, такие как: многоступенчатое перемешивание, виброперемешивание, увеличение времени перемешивания, введение в состав конструкции, интенсификаторов смешивания (деагломераторов) – это всего лишь попытки увеличить степень энергетического воздействия, а значит, и сделать возможным дальнейшее использование оборудования «классических» схем перемешивания, для получения смесей необходимого уровня совмещения компонентов?

Но если даже незначительное повышение линейной скорости рабочих органов смесителя, способно значительно изменить степень энергетического воздействия на смешиваемые компоненты, повысить однородность смеси, увеличить производительность оборудования, снизить его энергопотребление, почему не перешагнуть тот порог, за которым открываются широчайшие перспективы промышленного производства многокомпонентных материалов, недостижимого ранее уровня однородности?

Для того чтобы, получить ответ на эти вопросы, необходимо, прежде всего, рассмотреть существующие типы смесительного оборудования, используемого в производстве сухих смесей, и установить, какое влияние оказывает увеличение интенсивности энергетического воздействия на степень совмещения материалов, как изменяются энергозависимость процесса перемешивания при повышении интенсивности механического нагружения компонентов смеси.

2. Смесительное оборудование и режимы смешивания

В производстве сухих строительных смесей в настоящее время применяется разнообразное смесительное оборудование, в частности, принудительные смесители циклического действия и принудительные смесители непрерывного действия.

Процесс цикличного смешивания состоит из следующих фаз: загрузка материалов в емкость смесителя, непосредственно смешивания компонентов для достижения заданного уровня однородности получаемого продукта и, наконец, разгрузка смесителя. После разгрузки материала цикл повторяется.

Метод непрерывного смешивания компонентов сухих смесей основан на получении готового продукта в постоянном режиме, когда загрузка смесителя, смешивание компонентов и разгрузка получаемого продукта происходят в непрерывном режиме.

Сегодня, в производстве сухих строительных смесей наиболее широкое распространение получили циклические смесители с горизонтальным валом. Именно этот тип смесительного оборудования наиболее часто используется на отечественных предприятиях.

Для смесителей циклического действия с горизонтальным валом, характерна большая гибкость при работе с часто меняющимися составами смеси. Цикличность процесса смешивания компонентов позволяет приготавливать сложные составы в объеме, равному одному замесу.

Смесители циклического действия с горизонтальным валом, в зависимости от диаметра активатора (вылета стоек с лопастями) и угловой скорости вращения смешивающего органа, осуществляют перемешивание компонентов сухих смесей в четырех основных режимах. Условно их можно обозначить как: «тихоходный», «среднескоростной», «скоростной» и «высокоскоростной» режимы смешивания.

Для классификации смесителей по реализуемому ими режиму смешивания обычно используется безразмерный критерий Фруда:

Fr = R ω2/g

где R - максимальный радиус рабочего органа; ω - угловая скорость вращения; g - ускорение свободного падения.

3. «Тихоходный» режим смешивания

В целом, безразмерный критерий Фруда представляет собой соотношение силы тяжести и центробежной силы, которые действуют на отдельные частицы материалов в процессе их перемешивания.

При режиме смешивания, когда Fr < 1 сила тяжести преобладает над центробежными силами. Перемешиваемые компоненты лежат на дне емкости смесителя, а лопасти выталкивают частицы на боковую поверхность смесительной камеры в направлении вращения активатора. Смешиваемый материал поднимается по стенке и образует некоторый угол откоса. Чем выше скорость вращения активатора, тем на больший угол будет поднят материал. 
 
Fr < 1
Рис. 1. Тихоходный режим смешивания

Таким образом, при значении Fr < 1, перемешивание компонентов смеси осуществляется исключительно механическим способом, когда лопатки активатора рабочего органа смесителя, проходя через массу материала, отбрасывают его в стороны, что и обеспечивает осевое движение смеси. Последовательное перемещение компонентов в зону действия соседних смесительных лопаток и вызывает их перемешивание. Условно данный режим смешивания можно назвать «тихоходным».

Для «тихоходного» режима смешивания характерно образование застойных участков между внутренней частью корпуса смесителя и лопатками активатора, а также повышенное время смешивания, необходимое для получения смесей заданной однородной. В донной части смесителя, из-за образования «мертвых» зон, остаются не промешанные участки, что совершенно недопустимо при использовании химических добавок вводимых в малых количествах.

Смесители, работающие в режиме смешивания, когда Fr < 1, совершенно не подходят для работы с компонентами смеси, имеющих существенные отличия по плотности и склонных к образованию агломератов. Введение химических добавок в жидком виде, даже в небольших количествах, приводит к образованию комков и налипанию смеси на лопасти активатора и стенки смесителя, что снижает эффективность смешивания и негативно сказывается на распределении химических добавок в основной массе продукта.

Перемешивание компонентов сухой смеси «тихоходным» активатором в целом характеризуется стабильно высоким расходом электроэнергии, что, прежде всего, объясняется продолжительным временем смешивания и увеличением внутреннего трения между зернами смешиваемых веществ. При движении лопастей происходит уплотнение материала а, следовательно, и повышение внутреннего трения между отдельными частицами. На преодоление сопротивления уплотненного материала и расходуется дополнительная энергия.

«Тихоходные» смесители, работающие в режиме повышенного энергопотребления, имеющие малую производительность и совершенно не удовлетворительные результаты по качеству смешивания материалов смеси, в настоящее время все реже применяются на предприятиях, занятых в производстве сухих строительных смесей.

Рассмотренный «тихоходный» режим смешивания при относительно низкой частоте вращения активатора смесителя, когда Fr < 1, в целом не способен обеспечить современный уровень совмещения компонентов в составе смеси.

4. «Среднескоростной» режим смешивания

Если, при прочих равных условиях, увеличить число оборотов активатора, соответственно измениться и режим смешивания.

В интервале 1 < Fr < 3 , когда сила тяжести компенсируется центробежными силами, под действием лопастей активатора угол откоса смеси увеличивается, частицы отделяются от основной массы материала и выбрасываются в свободное пространство смесительной камеры.

При выходе смесительного агрегата на рабочий режим, основная масса перемешиваемого материала находиться в смесительной камере во взвешенном состоянии и эффективность перемешивания компонентов увеличивается. Режим смешивания, когда 1 < Fr < 3 можно назвать «среднескоростным». Так как, сухая смесь находиться во взвешенном состоянии, между частицами появляется воздушная прослойка, которая снижает силу внутреннего трения материала. Ослабление связей между частицами увеличивает их подвижность, что в свою очередь позволяет несколько уменьшить время смешивания компонентов, для получения продукта заданной однородности. Снижение внутреннего трения частиц так же позволяет снизить установленную мощность смесительного оборудования, так как потребляемая мощность, зависит, прежде всего, от плотности материала и величины внутреннего трения между частицами. 
 
1 < Fr < 3
Рис. 2 Среднескоростной режим смешивания

Смесители сухих смесей, работающие на «среднескоростных» режимах, в целом обеспечивают приемлемое качество смешивания и достаточно равномерное распределение малых добавок в основном объеме смеси. Благодаря увеличению частоты вращения активатора, смешиваемые материалы уже не скапливаются на дне смесительной камеры, а активно вовлекаются в основную массу приготавливаемого продукта.

Таким образом, в «среднескоростном» режиме смешивания, помимо механического перемещения частиц в объеме смеси, присутствует и ударно- отражательный способ перемешивания компонентов. Частицы, подбрасываемые лопастями активатора, сталкиваются в полете, отражаются от стенок смесителя и друг от друга, в результате этих ударов, разрушаются непрочные новообразования (комки, хлопья, флоккулы), повышается общая эффективность смешивания.

В целом для смесителей сухих смесей, работающих в «среднескоростных» режимах, характерны более низкие энергозатраты, по сравнению с «тихоходными» агрегатами, средняя производительность и неплохое качество смешивания.

5. «Скоростной» или центрифужный режим смешивания

Для описания следующего режима смешивания, когда 3 < Fr < 9, необходимо сделать одно допущение: Например, у описанного выше «среднескоростного» смесителя при неизменном радиусе рабочего органа, увеличивается угловая скорость вращения активатора. В этом случае, мы получим третий режим смешивания, значительно отличающийся от рассмотренных ранее.

При увеличении частоты вращения активатора, наступает момент, когда центробежная сила превосходит силу тяжести. Смешиваемые материалы отбрасываются лопастями активатора, ударяются о стенки емкости смесителя и образуют уплотненное кольцо. Лопатки активатора «распахивают» смесь, отброшенную к стенкам, направляя ее в зону действия соседних лопаток. Компоненты смеси за короткие промежутки времени переходят от уплотненного состояния к взвешенному, и снова к уплотненному. При этом частицы материалов имеют достаточно высокую скорость и, находясь во взвешенном состоянии, активно взаимодействуют друг с другом. Такое воздействие позволяет сократить время смешивания, которое тем меньше, чем выше число безразмерного критерия Фруда. Так, при объеме смесителя 0,65 м³ и Fr = 8, время перемешивания составляет 3 минуты, а при Fr = 3 - уже 6 минут.

Комплексные воздействия, когда помимо грубого механического перемещения частиц в емкости смесителя, так же происходят сложные процессы ударно- отражательного смешивания, позволяют добиться отличного качества распределения компонентов смеси за минимальный отрезок времени. Именно этот режим называется «скоростным» или центрифужным, соответственно агрегаты, реализующие такой режим смешивания, называются – «скоростными»-центрифужными смесителями. 
 
3 < Fr < 9
Рис. 3. Высокоскоростной режим смешивания

Смесители, работающие в центрифужном режиме, как по показателям однородности получаемого продукта, так и по своей производительности значительно превосходят смесительное оборудование, реализующее «тихоходный» и «среднескоростной» режим смешивания. Более того, центрифужный режим позволяет качественно улучшить реологические показатели компонентов, используемых в производстве сухих строительных смесей.

«Скоростные» смесители, работающие в диапазоне 3 < Fr < 9, помимо непосредственного смешивания компонентов смеси, так же осуществляют и их механическую активацию. В результате воздействия центробежных сил, соударения и отражения частиц, смешиваемые компоненты приобретают большую активность. С поверхности зерен удаляются неактивные пленки, окислы, загрязнения и другие образования, оказывающие негативное влияние на реологическую способность отдельных частиц.

Частицы перемешиваемых материалов получают высокоэнергетические нагружения при контакте с лопастями смесителя и друг с другом, что способствует помимо улучшения качества контактной поверхности зерна, и более равномерному распределению малых добавок. Химические добавки, вводимые в небольших количествах, в результате истирающего воздействия основных компонентов смеси получают большую дисперсность и активность.

«Скоростные» смесители, работающие в центрифужном режиме, хорошо справляются с перемешиванием материалов, имеющих сопоставимую плотность, а также склонных к образованию агломератов. Высокая скорость вращения лопастей смесителя с образованием динамических возмущений, позволяет разрушить непрочные новообразования, что особенно важно при работе с высокодисперсными материалами.
И все же, циклические смесители с горизонтальным расположением вала, реализующие режимы «скоростного» смешивания, далеко не всегда способны обеспечить требуемый уровень совмещения компонентов смеси. Особенно это становиться заметным при работе с высокодисперсными материалами, имеющими существенное различие по плотности, армирующими волокнами и химическими добавками, вводимыми в жидком виде.

6. Интенсификация «скоростного» режима смешивания - деагломераторы

Для повышения степени совмещения компонентов, увеличения связности смеси, разрушения агломератов, равномерного распределения премиксов и отдельных химических добавок, вводимых в жидком виде, смесители с горизонтальным валом оснащаются деагломераторами.

Деагломератор представляет собой высокоскоростное смешивающее устройство пропеллерного типа, который обычно устанавливается на боковой поверхности корпуса смесителя. Скорость вращения рабочего органа деагломератора составляет 1000-1500 оборотов в минуту. 

 
Рис. 4. Рабочий орган деагломератора

Основное назначение скоростных активаторов – деагломераторов – это разрушение образовавшихся в процессе смешивания комков и хлопьев, а также, создание локальных участков интенсивного механического нагружения смеси.

Помимо непосредственного контакта быстро вращающегося активатора с обрабатываемым материалом, также создаются мощные потоки взвешенных частиц, которые интенсивно взаимодействуют друг с другом. В этом контексте скоростные деагломераторы можно рассматривать не только как устройства дополнительного перемешивания компонентов, но и как агрегаты первичной или начальной механоактивации смешиваемых материалов.

Увеличение интенсивности взаимодействия активатора - деагломератора с частицами смешиваемых материалов не только способствует увеличению дисперсности продукта, но, прежде всего, вызывает позитивные изменения их физико-механического состояния, структуры поверхности, что, строго говоря, и является механохимической активацией твердых веществ. Повышение концентрации энергии в смесительной камере и обусловленное этим увеличение энергии взаимодействия частиц смешиваемых материалов, позволяет получать продукты высокого уровня совмещения компонентов.

Справедливости ради необходимо отметить, что «скоростным» смесителям присущи и некоторые недостатки, основными из которых являются: повышенное энергопотребление и относительно быстрый износ деталей, имеющих контакт с абразивными материалами. Увеличение энергопотребления смесительного оборудования, работающего в «скоростных» режимах, прежде всего, связанно с повышением плотности смеси, которая под действием центробежных сил образует уплотненные участки возле стенок смесительной камеры. Повышенный абразивный износ смесительных лопаток так же объясняется увеличением плотности смешиваемых компонентов смеси.

Несмотря на описанные недостатки, центрифужные смесители обеспечивают получение смеси высокой однородности при минимальном времени смешивания. Установка деагломераторов значительно расширяет возможности «скоростных» смесителей в части получения сложных многокомпонентных сухих смесей, позволяет использовать химические добавки в жидком виде.

Именно «скоростные» центрифужные смесители, в настоящее время, наиболее распространенный тип смесительного оборудования на современных заводах по производству сухих строительных смесей.

Рассмотренные выше режимы смешивания компонентов сухих смесей позволяют увидеть некоторую зависимость между угловой скоростью вращения смешивающих органов, потребляемой мощностью, качеством смешивания компонентов, равномерностью распределения малых добавок в основном объеме смеси и, наконец, временем смешивания. Так, увеличение концентрации энергии в емкости смесителя вызывает качественные изменения состояния поверхности смешиваемых материалов, обеспечивает получение гомогенных смесей высокого уровня совмещения компонентов. По мере увеличения интенсивности энергетического воздействия, наблюдается повышение общей эффективности смешивания при существенном сокращении времени рабочего цикла. Для «скоростных» смесителей характерно помимо механического воздействия смешивающих органов на обрабатываемый материал, так же интенсивное воздействие динамических потоков смешиваемых компонентов, что, в свою очередь, обеспечивает глубокое объемное перемешивание массы материала в «мертвых» зонах, пространствах между торцами корпуса и зоной выгрузки смесителя.

Во всех случаях повышение интенсивности воздействия смешивающих органов на обрабатываемые материалы повышает качество смешивания, делает возможным получение сложных многосоставных композиций, позволяет увеличить реологическую активность смешиваемых материалов. При этом, повышение расхода энергии, характерное для «скоростных» центрифужных смесителей, а также абразивный износ смесительных органов, не может иметь решающего значения в производстве сухих строительных смесей, так как благодаря сокращению времени перемешивания суммарное энергопотребление смесительного оборудования не только не увеличивается, но и при выходе на определенные режимы обработки даже снижается. Применение износостойких сталей и обеспечение возможности быстрой замены смесительных лопаток, позволяет получить хорошие показатели технического использования «скоростных» смесителей на производстве строительных смесей.

Таким образом, повышение интенсивности взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым материалом, следует признать действенным способом увеличения общей эффективность смешивания компонентов смеси, повышения их реологической активности, что, в конечном итоге, имеет решающее значение в определении эффективности действия смешанных компонентов в составе сухих строительных смесей.
Признавая целесообразность увеличения интенсивности энергетических воздействий на смешиваемые материалы необходимо также отметить что, смесители с горизонтальным валом практически исчерпали свои возможности в плане повышения концентрации энергии в смесительной камере при увеличении числа оборотов смешивающего органа. Применение деагломераторов для интенсификации процесса смешивания, расширения номенклатуры применяемых добавок и усиления воздействия на обрабатываемые материалы с целью их активации, всего лишь попытка модернизации в целом устаревшего типа смесительного оборудования.

Для смесителей с горизонтальным валом традиционной конструкции, частота вращения смесительного органа 120-200 оборотов в минуту является предельно возможной из-за большой массы смешивающего устройства.

В режимах смешивания, когда Fr > 10, смесители с горизонтальным валом обычно не используются.

С анализом российского рынка ССС, а также с анализом оборудования для производства ССС Вы можете познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Анализ производителей сухих строителей смесей в России» и «Анализ оборудования для производства сухих строительных смесей».

www.newchemistry.ru