СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ИНДИКАЦИИ СВЯЗНОСТИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF EXPRESS ANALYSIS OF DISPERSED MATERIALS COHESION

Изобретение относится к технике очистки газов от дисперсных примесей и может быть применено для быстрого определения связности пыли, поступающей в пылеуловитель, прогнозирования возможности образования отложений дисперсных материалов на ограничивающих сепарационное пространство поверхностях аппарата.
Известен способ оценки связности дисперсных материалов, по которому в сдвиговом приборе проводят уплотнение материала сжимающей нагрузкой, а сдвиг ячеек прибора осуществляют с меньшей нагрузкой. Касательное напряжение, которое является показателем связности в данном способе, при нулевом нормальном напряжении - есть начальное напряжение сдвига или сцепления. Однако в явном виде получить эту величину невозможно из-за наличия остаточной нагрузки в виде веса материала в верхней ячейке и самой верхней ячейки. Поэтому принимают условную величину начального напряжения сдвига, полученную в результате аппроксимации кривой предельных напряжений линейной функцией (Зимон А.Д., Андрианов Е.И. Аутогезия сыпучих материалов. - М.: Металлургия, 1978. Зенков Р.Л. Механика насыпных грузов. - М.: Недра, 1964, 251 с.). Кривые сдвиговых испытаний снимают на приборе Дженике [Зимон А.Д., Андрианов Е.И. Аутогезия сыпучих материалов. - М.: Металлургия, 1978]. Прибор дает неоднозначные показания, которые зависят от степени предварительного уплотнения дисперсного материала в приборе, равномерности укладки и уплотнения в режиме сдвига. При работе со связными материалами в процессе формирования слоя и нагружения материал подвергают необратимым деформациям, структурным изменениям, поэтому кривые предельного равновесия неоднозначны. Работа с прибором требует высокой квалификации оператора и продолжительного времени проведения необходимых процедур.
Аналогичные трудности возникают при работе с прибором кольцевого сдвига, в котором численные значения сдвиговых напряжений ниже, чем в приборе Дженике. Другим недостатком данного прибора кольцевого сдвига является необходимость задействования значительного количества испытуемого материала - десятки грамм.
Известен способ оценки связности дисперсных материалов - определение разрывной прочности предварительно уплотненного слоя, который реализуют в разъемном цилиндре. Как известно, уплотняемость зависит от агрегатного состояния дисперсного материала, которое, в свою очередь, зависит от аутогезии. Уплотнение проводят в зависимости от влажности порошка: ударами копра (Медведев Я.И., Валисовский И.В. Технологические испытания формовочных материалов. - М.: Машиностроение, 1973. - 312 с.); грузом, создающим давление 50 кПа [Андрианов Е.И. Методы определения структурно-механических характеристик порошкообразных материалов. - М.: Металлургия, 1982. - 256 с.]. В зависимости от прочности на разрыв дисперсные материалы разделяют на группы слипаемости. По Е.И. Андрианову материал неслипающийся, если прочность разрыва менее 60 Па, сильнослипающийся - прочность разрыва более 600 Па. На практике при работе с прибором происходят заклинивания из-за попадания материала в скользящие посадки, различные деформации, приводящие к незаметному перекосу сочленений частей цилиндра, которые дают существенные погрешности и грубые ошибки в показаниях прочности при измерении усилия разрыва. Реализация способа требует высокой квалификации оператора и продолжительного времени проведения процедур.
Существует также способ определения разрывной прочности на основе экструзии дисперсного материала из конической насадки [Андрианов Е.И. 1982 (с.64)]. Материал выдавливают из насадки вниз в виде стержня. При достижении определенной длины стержень разрывается под действием собственного веса. Однако этот экструзионный метод применим только для материалов с высокой аутогезией и влажных материалов.
В качестве прототипа взят способ оценки связности дисперсного материала, по которому материал уплотняют в матрице с определенными геометрическими соотношениями, а затем выдавливают нагрузкой, меньшей по сравнению с нагрузкой уплотнения. В этом способе предлагают проводить оценку по отношению нагрузки выдавливания к нагрузке уплотнения. Чем меньше отношение нагрузок, тем меньше связность (К.В.Некрасова, А.С.Разва, Е.Г.Зыков, М.В.Василевский. Определение связности сыпучих материалов. // Материалы тринадцатой Всеросс. науч.-техн. конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность." - Томск: Изд-во ТПУ, - 2007. - С.234-238). Способ предполагает использование весоизмерительных инструментов, процедур уплотнения и последовательного нагружения спрессованного материала для определения нагрузок выдавливания. Недостаток способа - отсутствие наглядности связности частиц в выдавленном брикете и длительность проведения измерений.
Задача изобретения - разработка простого надежного способа экспресс-индикации связности дисперсных материалов, не требующего для своего выполнения значительных объемов дисперсного материала.
В способе экспресс-индикации связности дисперсных материалов предварительно просеянный материал уплотняют в вертикально расположенной матрице нагрузкой 10÷40 кПа, затем полученный брикет выдавливают из нее с нагрузкой, меньшей нагрузки уплотнения. Выдавливаемое дисперсное тело под действием силы тяжести приводят в состояние падения с высоты 18÷65 см на отбойную плиту. Плита расположена под углом к горизонту 15÷33 градусов. По результатам контактного взаимодействия дисперсного тела и плиты проводят визуальное наблюдение состояния дисперсного тела с определением целостности и рыхлости его частей и по характеру разрушения брикета судят о связности материала. Данный способ может быть применен для оценки технологических характеристик сыпучих материалов - текучести, сводообразования, слеживаемости, транспортабельности и др.
На фиг.1 изображено устройство для уплотнения и выдавливания материала.
На фиг.2 изображен фрагмент отбойной плиты с ловушкой.
На фиг.3 изображено состояние брикета микропорошка корунда M10 с уплотнением 40 кПа после взаимодействия с поверхностью отбойной плиты под углом 15° с высоты падения 60 см.
На фиг.4 изображено состояние микропорошка корунда М5 с уплотнением 40 кПа после взаимодействия с поверхностью отбойной плиты под углом 28° с высоты падения 65 см.
На фиг.5 изображены дисперсные тела микропорошка корунда M10, выпрессованные из матрицы, с высотой падения 60 (слева) и 2 (справа) сантиметра.
На фиг.6 изображены дисперсные тела микропорошка корунда М5, выпрессованные из матрицы, с высотой падения 60 (слева) и 2 (справа) сантиметра.
На фиг.7 изображено состояние дисперсного тела микропорошка корунда М2, уплотненного нагрузкой 40 кПа, с высоты падения 60 см, отбойная плита расположена по углом 22°.
На фиг.8 изображено состояние дисперсного тела цемента после взаимодействия с плитой.
В таблице 1 показаны значения масс прилипших отложений на плите в зависимости от угла ее расположения, уплотняющая нагрузка составляет 40 кПа, высота падения брикета на плиту 60 см.
В таблице 2 показаны значения масс прилипших отложений на плите в зависимости от угла ее расположения, уплотняющая нагрузка составляет 10 кПа, высота падения брикета на плиту 60 см.
На фиг.1 изображено устройство для уплотнения и выдавливания материала. Устройство содержит плунжер 1, матрицу, состоящую из деталей 2 и 3, шток 4.
В матрицу, состоящую из деталей 2, 3 засыпают дисперсный материал. При этом шток 4 находится в канале детали 3, а плунжер I удален. Материал засыпают послойно, каждый раз уплотняя плунжером 1 с грузом, создающим давление на поверхности слоя из диапазона нагрузок 10-40 кПа. После заполнения материалом канала детали 3 проводят разъем деталей 2, 3 и на детали 3 излишек материала срезают вровень с торцом. В процессе этой процедуры происходит разрыхление поверхности слоя. Поэтому детали 2 и 3 снова сочленяют и плунжером 1, проводят дополнительное уплотнение тем же грузом. Плунжер 1 удаляют, детали 2, 3 разъединяют.
После уплотнения полученное тело подвергают экструзии. Деталь 3 матрицы переворачивают, размещают вертикально над отбойной плитой, шток 4 проворачивают и удаляют, вместо него вставляют плунжер 1. Выдавливание осуществляют с нагрузкой, меньшей нагрузки уплотнения. В начале процесса экструзии плунжер проворачивают, чтобы материал не прилипал к нему. В результате тело падает под действием силы тяжести с высоты над отбойной плитой 18-65 см. После чего происходит контактное взаимодействие выдавленного брикета с отбойной плитой, расположенной под углом 15-33 градусов к горизонтальной плоскости.
Затем визуально определяют состояние дисперсного тела после контактного взаимодействия и по характеру его разрушения судят о связности материала.
Если дисперсное тело при выдавливании разрушилось и находится на плите в мелкораздробленном, разрыхленном состоянии, материал несвязный, если тело разрушилось на части, причем нижняя прилипшая находится в уплотненном, деформированном состоянии, а верхняя после вторичного взаимодействия находится на плите в разрыхленном состоянии - материал слабосвязный, если тело находится в уплотненном деформированном состоянии - материал связный, если тело после взаимодействия с плитой оставляет наклеп на ее поверхности, а само после нескольких взаимодействий с поверхностью без заметного деформирования попадает в ловушку - материал сильносвязный. Прочность фрагментов тела, удерживаемых на плите силами адгезии, проверяют либо кистью с мягким волосом, либо обдувом фрагмента струей воздуха со скоростью 5-10 м/с.
В указанном диапазоне давлений (10÷40 кПа) уплотняющей нагрузки получаются дисперсные тела с прочностями, характерными для отложений пыли в газоочистных системах [Андрианов Е.И. 1982].
Угол наклона отбойной плиты к горизонту должен быть меньше угла внешнего трения материала о плиту в насыпном состоянии.
Известно, что связность частиц пыли определяется количеством контактов между частицами и физико-химическими характеристиками поверхностей частиц. Для одного и того же материала с разным дисперсным составом связность будет больше у того состава, у которого содержание мелких частиц больше.
Примеры конкретного выполнения
Для исследования использовались абразивные микропорошки «АМПЭК» по ТУ 3980-003-20620320-2005, изготовленные ООО «НПО МИПОР» (г.Томск). Гранулометрический состав абразивных микропорошков «АМПЭК» М40, M14, M10, М5 соответствует требованиям ГОСТ 3647. Гранулометрический состав абразивных микропорошков M1, M2 соответствует требованиям ОСТ 2 МТ 71-1.
Микропорошки представляют собой тонко измельченный корунд.
М10 - микропорошок корунда с размерами частиц преимущественно 10 мкм, М5 - микропорошок корунда с размерами частиц 5 мкм, M2 - микропорошок корунда с размерами частиц 2 мкм и M1 - это микропорошок корунда с размерами частиц 1 мкм.
По указанному выше алгоритму порошки подвергают испытаниям.
Микропорошок корунда М10 просеивают через сито, размер ячеек которого 1 мм, затем его уплотняют в устройстве, изображенном на фиг.1, нагрузками 10 кПа и 40 кПа. После уплотнения спрессованное тело выдавливают вертикально над отбойной плитой, расположенной под углами 15°, 17,5°, 22°, 28°, 33°. Те же операции проделывают с микропорошками корунда М5, M2, M1. При взаимодействии выдавленного тела с наклонной поверхностью происходит его дробление, уплотнение прилипшей части с ее деформацией либо разрушение с образованием множества скоплений агрегированных частиц.
В таблице 1 показаны в параллельных опытах значения масс прилипших отложений на плите в зависимости от угла ее расположения, уплотняющая нагрузка составляет 40 кПа, высота падения брикетов на плиту 60 см, в скобках указаны проценты прилипших к плите масс по отношению к массам брикетов до падения. Так, например, 97% массы брикета микропорошка корунда М10 прилипло к отбойной плите, расположенной под углом 15 градусов, в результате падения с высоты 60 см. Масса прилипшей части (97%) составляет 0,28 г, тогда как масса брикета до падения 0,29 г. Вес определять не обязательно, т.к. можно визуально по характеру разрушения судить о связности.
В таблице 2 показаны в параллельных опытах значения масс прилипших отложений на плите в зависимости от угла ее расположения, уплотняющая нагрузка составляет 10 кПа, высота падения брикета на плиту 60 см.
Отколовшиеся частицы скатываются в ловушку, изображенную на фиг.2. Прилипшее дисперсное тело обдувается струей воздуха и взвешивается.
На фиг.3 изображено состояние брикета микропорошка корунда M10 с уплотнением 40 кПа после взаимодействия с поверхностью под углом 15° с высоты падения 60 см. Тело частично разрушилось.
На фиг.4 изображено состояние микропорошка корунда М5 с уплотнением 40 кПа после взаимодействия с поверхностью под углом 28° с высоты падения 65 см. Почти вся масса брикетов остается на плите, причем происходит смятие и подтекание материала к подложке, т.е. он уплотняется, деформируется и прилипает к подложке. Характер деформирования и изменения объема дисперсного тела при его взаимодействии с горизонтальной поверхностью может быть выявлен при сопоставлении с телом, выпрессованным на горизонтальную подложку с высоты менее 2 см.
На фиг.5 изображены дисперсные тела микропорошка корунда M10, выпрессованные из матрицы, с высотой падения 60 (слева) и 2 (справа) сантиметра.
На фиг.6 изображены дисперсные тела микропорошка корунда М5, выпрессованные из матрицы, с высотой падения 60 (слева) и 2 (справа) сантиметра.
На фиг.7 изображено состояние брикета микропорошка корунда М2, уплотненного нагрузкой 40 кПа, с высоты падения 60 см, отбойная плита расположена по углом 22°. Большая часть брикета микропорошка корунда М2 откололась и скатилась в ловушку, а на плите остался небольшой наклеп. Такое поведение частиц брикета объясняется следующим образом.
При вертикальном ударе брикета о наклонную поверхность центр массы брикета смещен относительно точки первоначального контакта с плитой. Поэтому в зависимости от плотности упаковки частиц брикета, от количества связей между частицами характер первоначального взаимодействия выражается либо в виде среза части материала в основании брикета, контактирующего с поверхностью, и образованием опрокидывающего момента всей массы брикета, либо уплотнением материала в основании, деформации и прилипании брикета к подложке. Таким образом в испытании микропорошков корунда М5 и M10 произошел первый случай, т.е. материал уплотнился в основании, деформировался и брикет прилип к подложке; а в случае микропорошка корунда М2 опрокидывающий момент оказался достаточно большим и его большая часть откололась, остался срез части материала в основании брикета.
По проведенным экспериментам сделан вывод, что брикеты из микропорошков корунда M10 и М5 при всех диапазонах углов отбойной плиты остаются на подложке, т.е. это - связные материалы. Микропорошки корунда M1, M2 следует отнести к сильносвязным.
Кроме того, в экспериментах использовался цемент марки 400 (Ц), медианный размер его частиц 20 мкм, дисперсия равна 3. Цемент - полидисперсный порошок, поэтому здесь говорится о медианном размере и дисперсии.
Цемент годичного хранения после уплотнения различными нагрузками и выдавливания на отбойную плиту, расположенную под разными углами, во всех случаях оказался в разрыхленном состоянии, следовательно, этот дисперсный материал несвязный. Поэтому в циклонном аппарате при пропускании цементной пыли в виде аэрозоля отложения не образуются.
На фиг.8 изображено состояние данного цемента после взаимодействия с плитой.
Цемент свежеприготовленный - в промежутке между малосвязным и связным материалами. Цемент двухнедельного хранения в открытом состоянии на воздухе - слабосвязный материал. Таким образом, слеживаемость цемента влияет на связность.
Из приведенных данных видно, что для экспресс-индикации связности материала нет необходимости проводить взвешивания фрагментов дисперсного тела, прилипших к поверхности. Достаточно определить характер разрушения.
3
3
Для проведения корреляция между образованием отложений в циклоне и экспресс-индикацией связности дисперсных материалов проведены испытания циклона на образование отложений. Использован стандартный циклончик СК-ЦН-34 диаметром 90 мм из нержавеющей стали. Приемник представляет собой трубку диаметром 40 мм и длиной 1000 мм. Емкость циклончика вместе с приемником 2 дм. Расход воздуха 25-35 м/ч. Момент забивки циклончика определялся по резкому уменьшению разрежения в пылеприемнике.
В таблице 3 приведены сведения об отложениях пыли в циклончике. «Эффективность» образования отложений равна разнице эффективностей, определенных по уносу и улову.
Унос - количество пыли, содержащееся в очищенном воздухе, покидающем циклон. Улов-количество пыли, осажденной в приемнике.
Микропорошок корунда Ml, при малых подачах материала, оседает на стенке циклона - силы адгезии больше сил аутогезии. Поступление пыли в приемник с увеличением количества пыли увеличивается незначительно. Для микропорошка корунда М2 процесс забивки циклона аналогичен - вначале наблюдаются низкие значения количества материала, поступившего в пылеприемник. Затем, по мере образования слоя на стенке, количество материала, поступающего в пылеприемник, увеличивается и прекращается при забивке пылевыводного отверстия циклона. Таким образом, испытания подтверждают: M1 и М2 являются сильносвязными микропорошками. Унос пыли незначителен. Для микропорошка корунда М5 забивки наблюдались ниже пылевыводного отверстия - в пылеприемном стояке, в который залипший в циклоне материал периодически обрушался. Это ведет к забивке циклона. Для микропорошка корунда M10 также наблюдалось скопление пыли в верхней части стояка, забивка циклона происходила при повышенной влажности воздуха. Также играет роль скорость подачи пыли в систему. Для микропорошка корунда M14, размеры частиц которого 14 мкм, характерно наличие рыхлых отложений в приемнике при поступлении сгустков из циклона, однако на унос пыли эти эффекты влияют незначительно. Для микропорошка корунда М40 с размерами частиц 40 мкм отложения отсутствуют. Проведенные опыты на бинарных смесях показали необходимость ввода большего по весу крупного порошка в мелкую пыль. Анализ причин зависания микропорошков корунда М5, M10 показал, что в них содержится большое количество мелких частиц. Испытания на свежеприготовленном цементе показали эффективность по улову 98%. Отложения образуются при относительной влажности воздуха более 60%. Таким образом, видна корреляция между образованием отложений и индикацией связности.
Оценка связности применяемых порошков проведена в [К.В.Некрасова, А.С.Разва, Е.Г.Зыков, М.В.Василевский. Определение связности сыпучих материалов. // Материалы тринадцатой Всеросс. науч.-техн. конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность." - Томск: Изд-во ТПУ, - 2007. - с.234-238].
Таблица 1
Порошки
Углы
15°
17,5°
22°
28°
33°
М10m=0,29 г
0,28(97%)
0,26(89,6%)
0,26(89,6%)
0,28(96,6%)
0,27(93,1%)
0,25(86,2%)
0,27(93,1%)
0,27(93,1%)
0,28(96,6%)
0,27(93,1%)
М5m=0,25 г
0,25(100%)
0,21(84%)
0,25(100%)
0,22(88%)
0,23(92%)
0,25(100%)
0,23(92%)
0,24(96%)
0,23(92%)
0,24(96%)
0,25(100%)
0,23(92%)
0,24(96%)
0,21(72,4%)
0,23(92%)
М2m=0,20 г
0,12(60)
0,07(35%)
0,07(35%)
0,07(35%)
-
0,2(100%)
0,09(45%)
0,07(35%)
0,09(45%)
-
0,11(55%)
0,17(85%)
0,08(40%)
0,1(50%)
-
M1m=0,17 г
0,06(35,3%)
0,06(35,3%)
0,04(23,5)
0,02(11,8%)
-
0,06(35,3%)
0,01(5,9%)
0,04(23,5)
0,01(5,9%)
-
0,06(35,3%)
0,06(35,3%)
0,05(29,4%)
0,03(17,6%)
-
0,08(47%)
0,06(35,3%)
0,04(23,5)
0,02(11,8%)
-
Таблица 2
Порошки
17,5°
22°
28°
33°
М10m=0,26 г
0,25
0,25
0,22
0,22
0,23
0,24
0,24
0,24
М5m=0,24 г
0,2
0,2
0,24
0,16
0,2
0,21
0,23
0,17
М2m=0,19 г
0,17
0,15
0,08
0,06
0,14
0,13
0,09
0,01
0,2
0,19
0.18
0.18
M1m=0,15 г
0,05
0,03
0,03
-
0,05
0,05
0,03
-
0,08
0,05
0,06
-
Таблица 3
Марка порошка
Отн. влажность. %
Кол-во матер. (г)
Эффективностьпо уносу, %
Эффективностьпо улову, %
Время опыта, мин
Примеч.
1
2
3
4
5
6
7
M1
48
150,1
99,1
18,2
15
44
190,5
99,0
17,8
30
забился
М2
50
51
97,8
4,1
5
50
100
98,1
14,6
13
44
250
98,5
6,8
40
забился
М5
44
53
94,7
6,7
7
44
152,5
99,2
14,1
15
44
251,4
98,6
40,3
25
44
301,9
98,5
18,5
30
забился
М10
60
180,3
99,4
44,9
10
44
358,6
99,2
38,6
20
забился
44
400
99,2
74,7
50
44
614,6
99,3
82,2
90
66.5
683,5
98,4
42,3
60
забился
М14
44
50,3
99,8
84,1
8
44
201
99,3
79
25
44
401,4
99,5
85,8
35
60
473,9
99,3
66,7
40
М40
66,5
722
99,7
99,7
10
не забивается