Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
1.4. СЫПУЧЕСТЬ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Под действием внешних сил частицы зернистого материала могут перемещаться относительно друг друга. Это свойство подвижности зернистого материала часто называют сыпучестью. Сыпучесть зернистого материала зависит от большого числа разных факторов: размера и формы частиц; гранулометрического состава; шероховатости их поверхности; их поверхностной влажности; степени уплотнения и т.д. [22 – 25]. Обычно оценку сыпучести порошкообразных материалов проводят при свободном истечении из бункеров (воронок) [3]. Приборы для определения сыпучести представляют собой коническую воронку с углом при вершине 60…80 ° с диаметром выпускного отверстия 2,5…6 мм. На этих приборах сыпучесть определяют по массе или объему порошка, прошедшего через некоторое постоянное сечение в единицу времени. Способность сыпучего материала вытекать из отверстия также оценивают с помощью коэффициента текучести K т , который определяют по времени истечения t материала из калиброванной воронки: G tr K 58 , 2 т = , (1.13) где r – радиус воронки в цилиндрической части, мм (согласно ГОСТ 20899–75 при определении текучести металлических порошков отверстие воронки выполняется в виде цилиндрического канала диаметром 2,5 мм и длиной 3,2 мм); G – масса порошка, засыпанного в воронку, г (по указанному стандарту G = 50 г). Практический интерес, особенно при промышленной переработке углеродных наноматериалов (УНМ), представляют результаты исследований влияния газовой дисперсионной среды и гранулометрического состава на истечение порошкообразных материалов из конической воронки [26]. Опыты проводились на порошках железа, меди и алюминия на воздухе и в вакууме при остаточном давлении 13,33 нм –2 . Порошки имели следующие характеристики: Железный восстановленный порошок Размер частиц d,мм 0,27 0,17 0,10 0,07 0,052 0,05 Насыпная плотность, г/см 3 1,55 2,00 2,27 2,33 2,43 2,07 Медный восстановленный порошок Размер частиц d,мм 0,47 0,27 0,17 0,10 0,07 0,05 Насыпная плотность, г/см 3 1,66 1,90 2,03 2,63 2,72 2,02 Алюминиевый порошок Размер частиц d,мм 0,27 0,17 0,10 0,07 Насыпная плотность, г/см 3 1,10 1,13 1,14 1,15 Результаты определения сыпучести порошков (расход порошка Q, см 3 /с) в зависимости от размера частиц (диаметр d, мм) на воздухе и в вакууме представлены на рис. 1.7. Рис. 1.7. Сыпучесть металлических порошков в зависимости от размера частиц: а – железного, б – алюминиевого, в – медного; 1 – на воздухе, 2 – в вакууме Как видно из графиков, при истечении в воздухе максимальной сыпучестью обладают порошки с размером частиц порядка 0,1 мм. В вакууме сыпучесть порошков с размерами частиц более 0,1 мм практически не изменяется, зато у порошков с размерами частиц менее 0,1 мм сыпучесть значительно увеличивается. Учитывая это, целесообразно провести аналогичные исследования с УНМ и катализатором и, в случае положительного результата, использовать данный способ увеличения текучести в промышленном производстве. Сыпучесть зернистых материалов характеризуют также различными косвенными показателями или характеристиками [27]. Ранее всего на практике стали использовать углы естественного откоса α ест и обрушения α обр а) 0,10 0,20 0,30 0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Q, см 3 / с d, мм 1 2 б) 0,10 0,20 0,30 0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Q, см 3 /с d, мм 1 2 в) 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 d, мм Q, см 3 /с 2 1 1.5. УГЛЫ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ТРЕНИЯ 1.5.1. УГЛЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТКОСА Несмотря на то, что и размеры, и форма частиц, и насыпная плотность зернистого материала влияют на точность непрерывного весового дозирования, наиболее существенное влияние оказывают такие характеристика, как углы и коэффициенты трения. Это можно объяснить тем, что именно от коэффициентов трения в основном зависит характер движения отдельных частиц и всего материала в целом. Существуют различные подходы к экспериментальному определению углов и коэффициентов трения [28]. Углом естественного откоса называется угол между горизонтальной поверхностью и образующей конуса насыпанного на нее зернистого материала. Образование поверхности откоса отвечает состоянию динамического равновесия, поэтому этот угол часто называют динамическим углом α д естественного откоса. Углом обрушения называется угол, образующийся при обрушении слоя в результате удаления подпорной стенки. Его называют также статическим углом естественного откоса. Угол обрушения α обр всегда больше динамического угла естественного откоса α ест Угол естественного откоса связан с аутогезией, внутренним трением и плотностью упаковки частиц. Плотность упаковки частиц, при прочих равных условиях, зависит от высоты падения порошка при высыпании его. Поэтому при проведении измерений угла откоса конус из зернистого материала должен образовываться в результате высыпания этого материала из бункеров, расположенных на одинаковой высоте от основания устройства. Широкое использование этого показателя в технике для определения наклона стенок при конструировании бункеров, контейнеров, воронок, течек, желобов, хранилищ объясняется простотой и наглядностью его измерения. В лабораторной практике применяют несколько способов, различающихся между собой приемами формирования конуса и измерениями его угла. Так, например, прибор Меринга–Баранова [25] представляет собой прямой пространственный угол, образованный тремя плоскостями (см. рис. 1.8). В ребре, образованном вертикальными стенками 4, имеется цилиндрический канал 3, ось которого совпадает с пересечением внутренних плоскостей стенок. В этот канал с помощью воронки 2 засыпается из бункера 1 анализируемый сыпучий материал. На боковые стенки 4 и дно 5 нанесены угломерные шкалы. В основание устройства вмонтированы уровень 7 и штатив (на схеме не показан) для укрепления бун кера. Вращением регулировочных винтов 6 устанавливают устройство горизонтально по уровню. Устанавливают воронку так, чтобы носик воронки был продолжением канала. Бункер располагают в 350 мм над воронкой. Выпускное отверстие бункера должно быть соосно с носиком воронки. Рис. 1.8. Схема прибора Меринга–Баранова для определения динамического угла естественного откоса: 1 – бункер; 2 – воронка; 3 – цилиндрический канал; 4 – вертикальные боковые стенки; 5 – дно; 6 – винт; 7 – уровень Подготовленную пробу зернистого материала помещают в бункер. Приоткрывают задвижку бункера так, чтобы материал тонкой струйкой высыпался в воронку, а из нее в угол устройства до тех пор, пока вершина конуса не достигнет верхнего среза стенок. Величину динамического угла естественного откоса определяют по угломерным шкалам с точностью до 2°. За окончательный результат принимают среднее арифметическое из нескольких измерений. Один из первых вариантов устройства определения динамического угла естественного откоса методом насыпания зернистого материала на диск показан на рис. 1.9 [29]. Устройство состоит из бункера 1 с ирисовым затвором 2, закрепленного на штанге 8, которая жестко соединена под прямым углом с основанием 5. Основание устанавливается горизонтально при помощи установочных винтов 4. Над основанием параллельно его плоскости устанавливается диск 3. На штанге закреплена линейка 7 с передвижным указателем 6. Рис. 1.9. Устройство для определения динамического угла естественного откоса: 1 – бункер; 2 – ирисовый затвор; 3 – диск; 4 – винт; 5 – основание; 6 – указатель; 7 – линейка; 8 – штанга В исходном состоянии ирисовая диафрагма 2 на дне бункера 1 закрыта. Ползун указателя уровня 6 находится вверху штанги 8, а сам указатель сдвинут в сторону. Пробу зернистого материала засыпают в бункер. Затем приоткрывают ирисовую диафрагму так, чтобы материал начал высыпаться на середину диска. Засыпку продолжают до заполнения диска и завершения формирования конуса, т.е. до стабилизации его высоты. Закрывают отверстие диафрагмы, опускают ползун указателя уровня и измеряют высоту конуса. Зная диаметр диска D и высоту конуса Н, вычисляют динамический угол естественного откоса: D H 2 arctg д = α . (1.14) За окончательный результат принимают среднее арифметическое 4 – 6 измерений. Основной недостаток рассмотренного устройства для определения динамического угла естественного откоса заключается в том, что от высоты падения зернистого материала и скорости истечения этого материала из бункера зависит значение угла. Более того, в зоне контакта исследуемого материала с платформой или диском имеет место трение зернистого материала о поверхность из другого материала, т.е. здесь оказывает свое влияние угол внешнего трения. По всей видимости, именно эти факторы вызывают нестабильность результатов экспериментальных определений углов естественного откоса. Все указанные недостатки устранены в устройстве, принципиальная схема которых показана на рис. 1.10 [30, 31]. В трубу 1, установленную на основании 2 в направляющих 3, засыпают порцию исследуемого материала (рис. 1.10, а). Трубу поднимают вверх и материал высыпается на основание. Излишки материала ссыпаются с основания (рис. 1.10, б). Трубу 1 опускают вниз до касания с открытой поверхностью материала (рис. 1.10, в). По шкале, которая нанесена на наружную поверхность трубы, определяют расстояние Н между нижним и верхним основаниями усеченного конуса. При известных значениях диаметров D и d коэффициент внутреннего трения, численно равный тангенсу угла естественного откоса φ, рассчитывают по формуле ( ) d D H f − = ϕ = 2 tg ест . (1.15) Поскольку верхняя часть основания выполнена в виде чаши, т.е. имеет по окружности стенку с достаточно острой верхней кромкой, в нижней части конуса нет касания частиц зернистого материала с материалом основания. Основание конуса является практически идеальным кругом. Условия образования конуса материалом, высыпающимся из цилиндра, всегда одинаковы, поскольку изначально цилиндр устанавливается на основании, а его вертикальное перемещение можно организовать с помощью электромеханического привода, т.е. можно обеспечить постоянную скорость перемещения цилиндра. Тем не менее, рассмотренное устройство имеет недостатки, и основной из них заклю чается в том, что образующие конуса в разных горизонтальных и вертикальных сечениях наклонены под разными углами к горизонту. Более того, момент касания нижней кромкой цилиндра открытой поверхности материала определяется исследователем, т.е. носит субъективный характер. а) б) в) Рис. 1.10. Схема устройства и последовательность определения угла естественного откоса Была предложена методика определения угла естественного откоса на установке, которая состоит из прибора для определения угла естественного откоса (рис. 1.11), цифровой видеокамеры и компьютера [32]. После образования конуса из зернистого материала, растровый снимок конуса с видеокамеры передается в специально разработанную программу. Исходный снимок преобразуется в черно-белое изображение, где под черным понимается материал, а под белым – его отсутствие. Дальнейшая работа происходит непосредственно с полученным черно-белым изображением. При определении координат открытой поверхности материала использовали сканирование столбцов слева направо, а внутри столбца – сверху вниз. Как только цвет меняется, граница раздела считается определенной и координаты точки запоминаются. Сканирование текущего столбца заканчивается и начинается сканирование следующего. После определения координат точек открытой поверхности конуса программа рассчитывает уравнение образующей этого конуса b kx y + = и далее угол естественного откоса k tg arg = α Данная методика позволяет свести к минимуму субъективные погрешности при экспериментальном определении углов естественного откоса зернистых материалов. Рис. 1.11. Общий вид установки 1.5.2. УГОЛ ОБРУШЕНИЯ Определение угла обрушения или статического угла естественного откоса заключается в измерении угла, под которым располагается боковая поверхность зернистого материала в результате его обрушения после удаления одной из стенок камеры [29]. Устройство для измерения угла обрушения (рис. 1.12) состоит из сосуда 6 и камеры 4. Камера представляет собой параллелепипед с расположенным над ними бункером 3. Течка бункера перекрывается задвижкой 2. Камера укреплена на стойках 5 при помощи хомута 11, стержней 12 и колец 13. Высота расположения камеры фиксируется зажимными болтами 1. Вращением регулировочных винтов 8 камеру устанавливают горизонтально по уровню 7, вмонтированному в основание 9 устройства. Измерительный сосуд 6 (стеклянный или металлический) устанавливают под камерой. Сместив камеру по вертикали, устанавливают ее на сосуд. Подготовленную навеску зернистого материала, в 1,2–1,3 раза превышающую по объему измерительный сосуд, совком через щель 14 осторожно высыпают в камеру. Засыпку ведут по всей длине бункера. По окончании засыпки материала задвижку на бункере закрывают и через 4–5 минут поднимают камеру вверх. Лишний продукт в измери тельном сосуде срезают линейкой вровень с кромками сосуда. После этого осторожно убирают съемную стенку 10. Часть порошка в виде треугольной призмы сползает, при этом образуется откос. Рис. 1.12. Устройство для определения угла обрушения: 1 – болт; 2 – задвижка; 3 – бункер; 4 – камера; 5 – стойка; 6 – измерительный сосуд; 7 – уровень Измеряют с точностью до 0,5 мм величину освободившейся верхней кромки сосуда а и высоту h.Если угол откоса четко выражен, то его величину можно измерить транспортиром. По величинам а и h статический угол естественного откоса вычисляют с помощью формулы a h arctg ст = α . (1.16) За окончательный результат принимают среднее арифметическое нескольких измерений. На практике используются также приборы, позволяющие одновременно определять углы естественного откоса и обрушения [33, 34]. Принципиальная схема показана на рис. 1.13. Исследуемый материал засыпают в короб 1, который на стойках 2 установлен на основании 3. Под коробом установлен диск 4. В исходном положении отверстие в дне короба закрыто пластиной 9. После того, как пластину выдвигают, часть материала высыпается из короба, и образуются две поверхности обрушения. Численные значения углов обрушения определяют по угловым шкалам 10. После высыпания из короба поток материала формируется воронкой 8 и попадает на диск 4. Рис. 1.13. Устройство для определения углов обрушения и естественного откоса На диске образуется конус из материала, а излишки материала ссыпаются на основание 3. С помощью подвижного кольца 5 и указателя 6 по шкале 7 определяют высоту усеченного конуса и далее рассчитывают угол естественного откоса: − = α к д д 2 arctg D D H , (1.17) где H – высота усеченного конуса материала; D д – диаметр диска 4; D к – диаметр кольца 5. Горизонтальное положение основания устанавливают с помощью регулировочных винтов 12 по уровню 11. Учитывая, что диаметры кольца 5 и диска 3 постоянны, шкалу 7 можно градуировать в градусах, чтобы исключить необходимость вычисления угла естественного откоса. 1.5.3. НАЧАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СДВИГУ, УГОЛ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ И УГОЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ СДВИГУ Определение начального сопротивления сдвигу τ 0 , угла внутреннего трения ϕ и угла сопротивления сдвигу ϕ σ можно осуществлять на приборе, схема которого показана на рис. 1.14 [29]. Прибор состоит из удлиненной коробки 1,заполненной сыпучим материалом, вдоль которой сверху может перемещаться рамка 2. Сыпучий материал, содержащийся в рамке 2,нагружается сверху набором сменных грузов 3,создающих нормальное напряжение σ в плоскости сдвига ab.На грузовую чашку 4,связанную с рамкой 2 шнуром, перекинутым через блок, устанавливают гири в количестве, достаточном для приведения в движение рамки 2. Рис. 1.14. Схема прибора для определения начального сопротивления сдвигу τ 0 , угла внутреннего трения ϕ и угла сопротивления сдвигу ϕ σ : 1 – коробка со слоем материала; 2 – подвижная рамка; 3 – набор грузов; 4 – грузовая чашка 4 1 10 6 7 11 9 8 5 3 12 2 Рис. 1.15. Диаграмма напряжений τ = f (σ) Предельное напряжение τ определяется как частное от деления сдвигающей силы Т (за вычетом собственного сопротивления рамки 2)на площадь сдвига насыпного материала. Экспериментальные значения аппроксимируются прямой АС (рис. 1.15). На рисунке 1.15 линия АС показывает зависимость предельных наибольших касательных напряжений τ от величины нормальных напряжений σ в сыпучем теле. Угол наклона линии АС к оси абсцисс ϕ носитназваниеугла внутреннего трениянасыпного материала, а тангенс этого угланазываетсякоэффициентом внутреннего трения f = tg ϕ. Если точку С соединить с началом координат (линия ОС), то угол наклона этой прямой к оси абсцисс ϕ σ будет характеризовать сопротивление сыпучего материала сдвигу. Чем больше угол ϕ σ , тем больше сопротивление сдвигу при данном значении нормального напряжения. Поэтому угол ϕ σ носит название угла сопротивления сдвигу |