Способ экспресс-индикации связности дисперсных материалов
Владельцы патента RU 2392605:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к технике очистки газов от дисперсных примесей. Сущность: материал уплотняют в вертикально расположенной матрице и 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, расположенную под углом к горизонту в 15-33 градуса. Проводят визуальное наблюдение состояния дисперсного тела в контакте с поверхностью плиты, определяют целостность и рыхлость его частей, а по характеру разрушения брикета судят о связности материала. Технический результат: разработка простого надежного способа экспресс-индикации связности дисперсных материалов, не требующего для своего выполнения значительных объемов дисперсного материала. 8 ил., 3 табл.
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.
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 дм3. Расход воздуха 25-35 м3/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° | |
| М10 m=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%) | |
| М5 m=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%) | |
| М2 m=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%) | - | |
| M1 m=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° |
| М10 m=0,26 г |
0,25 | 0,25 | 0,22 | 0,22 |
| 0,23 | 0,24 | 0,24 | 0,24 | |
| М5 m=0,24 г |
0,2 | 0,2 | 0,24 | 0,16 |
| 0,2 | 0,21 | 0,23 | 0,17 | |
| М2 m=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 | |
| M1 m=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) | Эффективность по уносу, % |
Эффективность по 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 |
Способ экспресс-индикации связности дисперсных материалов, при котором материал в вертикально расположенной матрице уплотняют, выдавливают из нее с нагрузкой, меньшей нагрузки уплотнения, отличающийся тем, что выдавливаемое дисперсное тело под действием силы тяжести приводят в состояние падения с высоты 18-65 см на отбойную плиту, расположенную под углом к горизонту в 15-33 градуса, проводят визуальное наблюдение состояния дисперсного тела в контакте с поверхностью плиты, определяют целостность и рыхлость его частей, а по характеру разрушения брикета судят о связности материала.
