Патент на изобретение №2392605
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ИНДИКАЦИИ СВЯЗНОСТИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(57) Реферат:
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. 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.
Формула изобретения
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.
РИСУНКИ
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
