Assessing powder flowability at low consolidation stresses
Authors: Σταύρου Αλέξανδρος-Γεώργιος 
Published: October 2024

Η αδυναμία των συνοχικών κόνεων να ρέουν σταθερά και αξιόπιστα αποτελεί κύρια αιτία διακοπής λειτουργίας και απώλειας προϊόντων σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανιών επεξεργασίας σκονών. Έχει πραγματοποιηθεί εκτεταμένη έρευνα για τον χαρακτηρισμό της ρευστότητας των σκονών χρησιμοποιώντας μια ευρεία γκάμα τεχνικών, με την πιο εδραιωμένη μέθοδο μέτρησης της ρευστότητας σκονών σε μέτριες έως υψηλές τάσεις να είναι τα κυψελοειδή εργαλεία διάτμησης, με θεωρίες που έχουν αναπτυχθεί για τον σχεδιασμό σιλό και χοανών. Ωστόσο, πολλές βιομηχανικές διαδικασίες μεγάλου ενδιαφέροντος, όπως η πλήρωση και δοσομέτρηση σκονών σε κάψουλες και η διασπορά σε εισπνευστήρες ξηρών σκονών (DPI), εκθέτουν τα σωματίδια σε πολύ χαμηλές τάσεις συμπύκνωσης (≤ 1 kPa), όπου ο προσδιορισμός της ασυγκράτητης αντοχής διάρρηξης μέσω δοκιμών διάτμησης συχνά παρουσιάζει ασυνέπειες στη μέτρηση ή σε σύγκριση με την παρατηρούμενη συμπεριφορά. Επομένως, υπάρχει ανάγκη για μια εναλλακτική προσέγγιση για την κατανόηση της ρευστότητας των ασθενώς συμπυκνωμένων σκονών, όπως η μέθοδος εμβάπτισης με μπάλα, η οποία είναι μια τεχνική διείσδυσης που μπορεί να αξιολογήσει τη ρευστότητα των σκονών μέχρι πολύ χαμηλές τάσεις, ενώ απαιτεί μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα υλικού. Σε αυτήν την τεχνική, ένα κρεβάτι σκόνης συμπυκνώνεται σε οποιαδήποτε επιθυμητή τάση που παρέχει μια σχετικά επίπεδη επιφάνεια και στη συνέχεια διεισδύεται από έναν σφαιρικό διαβρωτή. Η ρευστότητα προσδιορίζεται με τον υπολογισμό της σκληρότητας του κρεβατιού σκόνης, από την απόκριση δύναμης-μετατόπισης του κρεβατιού. Η σκληρότητα μπορεί να συσχετιστεί με την ασυγκράτητη αντοχή διάρρηξης, που συνήθως προκύπτει μέσω των δοκιμών διάτμησης, μέσω του συντελεστή περιορισμού, ο οποίος εξαρτάται από τις ιδιότητες των σωματιδίων, αν και δεν μπορεί ακόμα να προσδιοριστεί εκ των προτέρων. Σε αυτήν την εργασία, ο συντελεστής περιορισμού μιας ευρείας κλάσης σκονών ποσοτικοποιήθηκε μέσω πειραμάτων εμβάπτισης και κυψελών διάτμησης σε μέτριες έως υψηλές τάσεις και διαπιστώθηκε ότι γενικά είναι ανεξάρτητος από την εφαρμοζόμενη τάση, ενώ για τέσσερα από τα είκοσι πέντε υλικά παρουσίασε διακυμάνσεις. Για να εξαχθεί η ασυγκράτητη αντοχή διάρρηξης από τις μετρήσεις σκληρότητας σε χαμηλές τάσεις, υποτέθηκε ότι ο συντελεστής περιορισμού παραμένει σταθερός σε χαμηλότερες τάσεις. Χρησιμοποιήθηκε επίσης η Μοντελοποίηση Διακριτών Στοιχείων (DEM) για τη προσομοίωση του συστήματος εμβάπτισης με μπάλα, επιτρέποντας τον προσδιορισμό των εσωτερικών τάσεων διάρρηξης του κρεβατιού σκόνης προκειμένου να διασαφηνιστεί η συμπεριφορά του συντελεστή περιορισμού σε χαμηλές τάσεις. Οι προσομοιώσεις επιβεβαίωσαν την υπόθεση ότι ο συντελεστής περιορισμού παραμένει σταθερός καθ' όλη τη διάρκεια του φάσματος εφαρμοζόμενων τάσεων.Επιπλέον, η εφαρμοσιμότητα και αξιοπιστία τόσο της εμβάπτισης με μπάλα όσο και της κυψέλης διάτμησης FT4 αξιολογήθηκαν σε ένα ευρύ φάσμα τόσο χαμηλών όσο και μέτριων έως υψηλών τάσεων. Η εμβάπτιση με μπάλα έδωσε πολύ επαναλήψιμα αποτελέσματα σε ολόκληρο το φάσμα των εφαρμοζόμενων τάσεων, ενώ η κυψέλη διάτμησης FT4 κρίθηκε αναξιόπιστη για τα περισσότερα υλικά σε κανονικές τάσεις προδιάτμησης 1 kPa και κάτω. Για όλα τα υλικά, εκτός από τις τρεις σκόνες που παραμένουν πολύ συνοχικές καθ' όλη τη διάρκεια του φάσματος τάσεων που δοκιμάστηκε, παρατηρήθηκε ότι η αύξηση της σκληρότητας (και συνεπώς και της ασυγκράτητης αντοχής διάρρηξης που προκύπτει από την εμβάπτιση με μπάλα) με την τάση ήταν πολύ πιο απότομη σε χαμηλές τάσεις, σε σύγκριση με υψηλότερες τάσεις, λόγω της πιο γρήγορης αύξησης της πυκνότητας συσκευασίας. Για όλα τα μοντέλα γυάλινων σφαιριδίων που δοκιμάστηκαν, εκτός από τα δείγματα 0 - 20 μm, η σκληρότητα βρέθηκε να είναι ανεξάρτητη από το βάθος διείσδυσης σε ένα συγκεκριμένο εύρος βάθους. Αντίθετα, για τα περισσότερα 'πραγματικά' υλικά, καθώς και για τα προαναφερθέντα πολύ λεπτά γυάλινα σφαιρίδια μοντέλου, η σκληρότητα βρέθηκε να αυξάνεται συνεχώς με το βάθος, με μια κλίση που είναι ανεξάρτητη από την εφαρμοζόμενη τάση και παρόμοια για όλα τα υλικά που δοκιμάστηκαν. Οι σκόνες που είναι επιρρεπείς σε ασταθή ροή (stick-slip) αποκλίνουν από την παραπάνω συμπεριφορά και εμφάνισαν μια κυμαινόμενη απόκριση δύναμης. Η επίδραση μιας ποικιλίας ιδιοτήτων σωματιδίων στον συντελεστή περιορισμού και συνεπώς στη ρευστότητα της σκόνης προσδιορίστηκε τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά. Οι επιδράσεις του μεγέθους των σωματιδίων, της κατανομής του μεγέθους, και του σχήματος μεμονωμένων σωματιδίων και συσσωματωμάτων μελετήθηκαν πειραματικά, ενώ η στατική και κυλιόμενη τριβή, καθώς και η πλαστική τάση διάρρηξης μεταβλήθηκαν στις προσομοιώσεις DEM. Η επίδραση της επιφανειακής ενέργειας μελετήθηκε τόσο πειραματικά όσο και με τη μοντελοποίηση DEM. Όλες οι ιδιότητες βρέθηκαν να επηρεάζουν τον συντελεστή περιορισμού και τη συμπεριφορά ροής σε κάποιο βαθμό, υποδεικνύοντας την πολυπλοκότητα της συμπεριφοράς ροής των σκονών.