1. Литературный обзор 1 Методы определения гранулометрического состава материала
 Скачать 5.43 Mb.
|
3. Экспериментальная часть.1 Разработка установки для исследования материалов Для определения основных параметров частиц исследуемого материала (номинального диаметра), и установления последующей аналитической связи между диаметром зерна и его поверхностью (принимая за сферическую поверхность), мы можем рассчитать параметры всего материала, такие как: количество всех зерен материала в определенном объёме, вес всех зерен и суммарную поверхность материала в целом. Поэтому в данной работе мы используем простой, не автоматический седиментационный гранулометр (седиграф), с не которыми элементами изменения конструкции, для уменьшения погрешности измерений, он прост в обращении, надежен и очень дёшев. Изменению в конструкции подверглись патрубки установки, они расположены под углом 300 от горизонтальной поверхности прибора, для более полного и безприпятственного слива суспензии, а дифференцируемые длины патрубков предусматривают удобность слива (что на практике помогает уменьшить потери изучаемого материала, и увеличить чистоту эксперимента). Краны слива максимально приближены к рабочей цилиндрической поверхности установки, для выполнения условий седиментационного анализа, и не допуска возможности осаждения измеряемого вещества, во время свободного падения частиц в вязкой среде, внутрь этих патрубков, что в свою очередь уменьшает погрешность измерений. Установка исполнена из химически устойчивого пластика, что предусматривает её надежность, износостойкость, практичность, номинальную легкость, легкость в использовании и в подготовке к работе (рисунок 3.1).  Рисунок 3.1 - Седиграф дисперсный седиментационный гранулометрический установка По сравнению данной установки с другими её аналогами, она имеет ряд преимуществ: практическое отсутствие потерь исследуемого материала и погрешности измерения; простота изготовления (возможность изготовления в домашних условиях); низкий расход исследуемого материала; прочность, практичность (по сравнению со стеклянными аналогами); максимальное выполнение условий седиментационного анализа. 3.2 Оборудование для фильтрации материалов и композиций Для фильтрации материалов мы используем установку, состоящую из следующих компонентов химической посуды и вспомогательных материалов, таких как: Колба Бунзена - толстостенная колба коническая по форме и предназначенная для фильтрования. Эта колба со шлифом, или специальной притертой крышкой. В верхней части имеется специальный отросток для создания соединения с вакуумным насосом или с отдельной линией вакуума. Колба специально приспособлена для проведения работ при пониженном давлении; Воронка Бюхнера - применяются в химических лабораториях для фильтрования растворов при помощи фильтровальной бумаги под уменьшенным давлением (вакуумом). Для этого воронку Бюхнера вставляют в колбу Бунзена на резиновой пробке. Изготовляются по ГОСТ 9147-80; Фильтры обеззоленные, d = 12,5 см (в индивидуальной упаковке). Маркированные «синей лентой», что обозначает их фильтрационную способность, то есть, отделение от растворов мелкокристаллических осадков; Водоструйный насос - вакуумный насос, использующий для создания разрежения струи воды, которая течёт сквозь него. Создаваемое разрежение определяется давлением паров воды при данной температуре, и, в случае использования холодной водопроводной воды, составляет около 20 мм рт.ст. Водоструйные насосы изготавливаются из стекла, стали, пластмасс и широко используются в лабораторной практике. Достоинство - простота устройства, небольшие габариты, надёжность работы; недостатки - низкий коэффициент полезного действия и затраты большого количества вспомогательной воды под давлением; Данная установка (рисунок 3.2) работает на принципе вакуумной фильтрации, создавая разрежение воздушной среды, путем пропускания воды через камеру водоструйного насоса.  Рисунок 3.2 - Фильтрационная установка в сборке В результате, собранная установка помогает нам в кратчайшие сроки отфильтровать необходимые материалы для замера веса, тем самым увеличивая полезное время работы в целом. Так же стоит отметить другие весомые достоинства: Высокая производительность установки; Возможность регулирования толщины осадка и скорости движения фильтрования ткани; Универсальность, надежность и простота обслуживания. 3.3 Экспериментальные данные, полученные при исследовании материалов Номенклатура сыпучих материалов, которые исследуют на седиментационных грануломеров, очень велика и охватывает многие области научных сфер. В литейном производстве, перечень материалов участвующих в процессах литья (как в качестве наполнителя или связующего, для красок или смесей) непомерно огромен. Поэтому в данной работе я представлю экспериментальные данные по перечню определённых материалов, чаще всего используемых в литейном производстве, с целью определения основных геометрических параметров исследуемых материалов, методом седиментационного анализа. Материалы, исследуемые в данной работе, можно подразделить на ты группы: исходные, композиции на основе бентонита и композиции на основе графита (ГЛС-2). Исходные материалы: ) Графит (ГЛС-2) (Курейское месторождение); ) Пылевидный кварц (ПК); ) Глинозем (Al2O3); ) Периклаз (MgO); ) Бентонит (Казахский); ) Бентонит (Черногорский природный); Композиции на основе бентонита: ) Бентонит (Черногорский природный) + сода; Композиции на основе графита (ГЛС-2): ) ГЛС-2(А) + ПК(А); ) ГЛС-2(А) + MgO(А); ) ГЛС-2(А) + Al2O3(А). На основе полученных данных проводим математический расчёт диаметра частицы, установив аналитическую связь, рассчитываем удельную поверхность одного зерна материала и удельную поверхность всего материала в целом при определенном весе материала. Методика расчёта:  где, d - диаметр шара, см; с(част)- удельный вес частицы, г/см2 (среднее из 2,6 и 2,65); с(ср)- удельный вес окружающей частицу среды, г/см2 (для воды 1,00); g - сила тяжести, 981 см/с2; з - вязкость воды (берётся с учётом температуры воды). В таком виде выражается формула Стокса. Для случая ламинарного режима скорости осаждения частиц в вязкой среде. Для различных объемов, расчёт скорости осаждения будет различным, потому что окончательная высота падения частицы в вязкой среде для каждого объема будет разной.   где, t - время проведения эксперимента, с (10 мин, 3 ч, 7 ч, 24 ч); а - высота седиментационного прибора, мм; b - высота, которую преодолевает частица, до конца эксперимента (40 мм, 80 мм, 120 мм, 160 мм). Определение окончательной скорости осаждения частицы, помещенной в вязкую и плотную среду, движущую под действием сил тяжести. Ее скорость полностью определяется действием этих сил и сопротивлением среды - вязким и гидродинамическим: w=6рзrv + (рr2D1v2)/3 = (6рз2Re)/D1 + (2рRe D1)/3 Где, r - радиус сферы, мм; v - скорость перемещения частицы относительно среды, см/с; з - вязкость среды, мпз; Re - число Рейнольдса, D1 - плотность дисперсионной среды, гр/см3. Приравнивая уравнения (5) и (6), и решая его относительно диаметра частицы (d), получаем:  Зная диаметр (d) вещества, рассчитываем удельную поверхность частиц (F) и общее количество всех зерен материала (N):   На основе имеющихся расчетных формул, и полученных в ходе исследовательской работы экспериментальных данных, можно рассчитать среднее значение диаметра частиц (распределенных по исследуемым объемам) общее расчетное значение поверхности всех зерен и среднее значение диаметра частиц всего вещества в целом. Таблица 3.11 Расчетные данные по исходным материалам
Таблица 3.12 Расчетные данные по композициям на основе графита (ГЛС-2).
Таблица 3.13 Расчетные данные по бентонитам и композициям на основе бентонитов.
На основе полученного массива расчетных данных различных дисперсных материалов, чаще всего используемых в литейном производстве, можно сделать ряд выводов о геометрических параметрах исследуемых материалов, о среднем диаметре частиц материалов и о характере влияния механоактивации в процессе наноструктурирования. Во всех случаях исследования материала на седиментационном гранулометре (седиграф), наблюдается тенденция, что после механоактивации материала, средний диаметр частиц уменьшился, что положительно отражается на качестве материала (что для литейных покрытий, например, является увеличение прочности, уменьшение покровного слоя, увеличение кроющей способности, плотности и вязкости). Для исходных материалов это порядка 12-15%, для композициий на основе графита 6-8% (для Al2O3 и MgO) и до 30% (для ПК). Бентониты и композиции на основе бентонитов, умеют среднее значение уменьшения среднего диаметра частиц вещества, порядка 35-45% от исходного значения. Повсеместное уменьшение диаметра материалов, прошедших механоактивацию, по сравнению с исходными материалами, ведет к увеличению общей расчетной поверхности материала, такая тенденция прослеживается для всех исследуемых в данной работе материалов. Все тенденции, которые прослеживаются в расчетных данных, по сравнению с данными полученными ситовым методом и другими аналитическими данными, мы можем с уверенностью утверждать что расчет, полученный в ходе проведения исследовательской работы верен, и новые конструктивные решения седиментационного гранулометра, минимизирующие потери материала в ходе работы, низкий расход исследуемого материала, и максимальное выполнение условий седиментационного анализа, привели к получению адекватных данных. 3.4 Выводы На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы: . разработана установка для оценки среднего размера частиц седиментационным методом; . предложена методика расчета среднего размера частиц и расчетной поверхности исследуемых материалов; .. Исследованы влияние режимов активации на геометрические параметры материалов: • Исходные материалы: графит (ГЛС-2) (Курейское месторождение); пылевидный кварц (ПК); глинозем (Al2O3); периклаз (MgO). • Бентониты и композиции на основе бентонитов: бентонит (Казахский); бентонит (Черногорский природный); бентонит (Черногорский природный) + сода. • Композиции на основе ГЛС-2: ГЛС-2(А) + ПК(А); ГЛС-2(А) + MgO(А); ГЛС-2(А) + Al2O3(А). . исследовано влияние режимов активации на геометрические параметры композиций. 4. Безопасность и экологичность работы | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||