CC BY
117
УДК 621.315 Гусев А.М.
ФБГОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
ПОРОШКООБРАЗНОГО ПРЕСС - МАТЕРИАЛ И ЕГО НАСЫПНАЯ ПЛОТНОСТЬ
Насыпная плотность является важной характеристикой порошкообразного пресс-материала, так как выбор способа дозирования материала а, также она определяет размеры загрузочной камеры или загрузочной полости формы. Насыпная плотность зависит от тонины помола, гранулометрического состава и влажности пресс-материала, а также от технологии его изготовления и продолжительности хранения. Насыпную плотность определяют, исходя из массы порошка, заполняющего при свободном насыпании сосуд с определенным объемом.
Насыпную плотность определяют с помощью прибора волюметра (рисунок 1).
Порошок из воронки, расположенной в верхней крышке прибора, пересыпается по наклонным полочкам, принимает равномерно разрыхленную структуру и через нижнюю воронку попадает в сосуд известного объема и массы. Избыток порошка снимается с сосуда стальной линейкой. Наполненный сосуд взвешивается на весах.
Волюметр состоит из колонки 7, четырех стеклянных полочек 2, воронки 5, в которую засыпается порошок, и воронки 4, через которую высыпается порошок. Стеклянные полочки закреплены под углом 30° к вертикали по две в противоположных стенках колонки.
Насыпная плотность порошка рассчитывается по формуле:
m
Рнас = v (1)
где m - масса порошка, кг; V - объем порошка, м .
Насыпная плотность является характеристикой обратной удельному объему.
Рисунок 1 Схема прибора для определения насыпной плотности пресс-порошков
Основными измеряемыми величинами при гранулометрическом анализе являются размер частиц и их количество (число или масса частиц каждого измеряемого размера). Размер частиц при их осаждении в вязкой среде определяется с применением упрощенного уравнения движения Навье-Стокса при допущении существенного превалирования вязких сил над инерционными, когда значения числа Рейнольдса Re <1
£ - * Iі - с і ли ■
Р I Zpw
(2)
Если
частицы
скорость осаждения частицы постоянна
m = (nS3 / б)pt
и площади поперечного
( dw /dt = 0), тогда при введении массы шарообразной
сечения частицы f = жЗ1 /4 получим из равенства сил,
действующих на частицу, выражение для скорости ее осаждения:
w
ос
4 (Рте - Р) gS 3 pZ
(3)
где рте, р - плотность частиц и седиментационной жидкости; Z - коэффициент сопротивления. Принцип действия весового седиментометра основан на непрерывном измерении во времени веса накопившегося осадка. Считая, что w = const = H /1 , где H - высота осаждения, из (2) можно получить выражение для расчета в каждый момент времени t размера осевших частиц
s=3 р z (H
4 (Ртв-Р) g К t
(4)
2
Из (4) видно, что при всех заданных величинах размер осевших частиц будет в первую очередь определяться коэффициентом сопротивления z , учитывающим гидродинамические характеристики движения твердой частицы в вязкой среде. Обычно при седиментационном анализе в качестве коэффициента сопротивления используется известный закон Стокса. Важной частью математического аппарата гранулометрического анализа при седиментации является теоретическое описание кривых накопления аналитическими зависимостями, которых в настоящее время существует достаточно много. Обилие же сущест-
вующих дисперсных материалов, разнообразие методов их получения и переработки, а также весьма широкий спектр их физико-механических свойств не позволяет создать универсальную зависимость, пригодную в равной степени для всех существующих материалов и процессов. Однако действие закона Стокса распространяется на движение частиц только очень малых размеров. Для расширения диапазонов размеров анализируемых частиц в разработанном программно-измерительном комплексе используются другие, нелинейные законы сопротивления, например формула Клячко.
Наиболее известными из аналитических зависимостей считаются логарифмически-нормальный закон и обобщенный степенной, частным случаем которого является уравнение Розина-Раммлера, которое можно записать в виде
f (8) = baA8а-1expf-b8a) , (5)
где А - постоянная нормировки; а и b - параметры распределения.
В тех случаях, когда распределение частиц по размерам имеет две и более вероятных фракции, т . е . кривые f (d) имеют два и более максимума, их аналитическое описание становится сложной зада-
чей, поскольку традиционные выражения хорошо описывают классические распределения с одним выраженным максимумом. Для описания многомодальных распределений в чистом виде они не пригодны.
Практический опыт решения подобных задач позволил использовать для описания массового распределения частиц по размерам ряды, составленные из уже известных и практически проверенных законов, например, логарифмически-нормального с соответствующими масштабными множителями (долями), дисперсиями и медианами. Дифференциальная функция распределения частиц по размерам в данном случае будет выглядеть следующим образом
П л
f (d) =
exp
(InJ- f
(6)
где A i - весовые множители; d0,i -ское) отклонение ln8 от их среднего
медиана распределения; s - стандартное (среднеквадратиче-значения. Для определения неизвестных параметров ряда ( Aг- ,
d0,i , s2 ) используется алгоритм оптимизации функции симплекс-методом.
В любом методе измерений при гранулометрическом анализе обязательным является статистическая обработка опытных данных. Оценка точности измерений осуществляется на основе анализа статистической обработки каждого j - го вариационного ряда массовых содержаний по опытам. Статистическая обработка экспериментальных данных, полученных на седиметнометре, предусматривает вычисление ряда статистических параметров распределений и критериев, на основании которых оценивается точность и достоверность результатов измерений.
Программно-измерительный комплекс SDM-4, предназначен для автоматизированного анализа гранулометрического состава различных материалов методом седиментации частиц из стартового слоя в жидкости под действием гравитационных сил на базе весового седиментометра.
Данный комплекс позволяет кроме стандартных функций, характерных для всех компьютеризированных приборов анализа гранулометрического состава:
проводить расчет кривой осаждения во времени (седиментационной кривой накопления осадка) с учетом динамического взаимодействия частиц с чувствительным элементом и соответствующего коэффициента сопротивления;
использовать различные аналитические зависимости для описания распределений частиц по размерам в соответствии с физически обоснованной аппроксимацией;
при расчете распределения частиц по размерам, используя специальные методики, учитывать форму частиц;
при подключении к сети Internet осуществлять удаленный доступ к экспериментальной базе данных и проведение дистанционных лабораторных работ.
Программно-измерительный комплекс SDM-4 включает:
весовой седиментометр
измерительную систему регистрации веса осадка;
блок сопряжения прибора с компьютером (блок связи);
компьютерное оборудование (сервер) с принтером и дисплеем.
специализированное программное обеспечение.
Измерительная система регистрации веса осадка состоит из цилиндрического осадительного сосуда (кюветы), чувствительного элемента и датчика микроперемещений. Чувствительный элемент содержит приемную чашечку с поплавком и пружинным элементом. Чашечка сбора осадка чувствительного элемента является одновременно сердечником трансформаторного датчика микроперемещений. Перемещение катушки датчика относительно осадительного цилиндра осуществляется винтовыми штангами.
Блок сопряжения седиментометра предназначен для преобразования перемещения приемной чашечки в аналоговый электрический сигнал, дискретизации его 12-ти разрядным цифровым кодом, индикации уровня сигнала 3-х уровневым светодиодным табло, передачи полученного кода внешнему устройству (компьютеру).
Разработка новой модели седиментометра с применением современной элементной базы позволила на порядок увеличить диапазон измерения веса пробы до 250 мГ и расширить диапазон измеряемых размеров частиц от 1 до 300 мкм.
Для получения информации о гранулометрическом составе пробы и для дальнейшей статистической обработки данных полученная кумулятивная кривая описывается с помощью известных аппроксимационных формул и законов, используя функции модуля обработки данных. Для последующей работы c данными и вывода на печать в каждом из методов реализована функция автоматизированного экспорта результатов расчетов и графиков распределений в электронные таблицы MS Excel или в документ MS Word.
Методика проведения гранулометрического анализа включает подготовку комплекса к работе, выбор оптимальных параметров (высоты осаждения, концентрации и объема пробы), подготовку и ввод пробы, обработку данных.
Функциональные возможности программно-измерительного комплекса SDM-4 позволили провести ряд исследований, направленных на создание методик анализа гранулометрического состава порошков с
неправильной формой частиц, с полимодальным распределением, а также моделирования технологических процессов, связанных с седиментацией частиц.
Определение гранулометрического состава слюд затруднено из-за пластинчатой формы частиц. Единственным пригодным для этой цели методом анализа является трудоемкий метод оптической счетной микроскопии, причем пересчет численного распределения частиц в массовое в этом случае затруднен из-за отсутствия данных о толщине слюдяных пластин. Применение в данной методике весового седи-ментометра помогает установить взаимосвязь между микроскопическим и седиментационным диаметрами частиц и отказаться от трудоемкого метода микроскопии.
В качестве исследуемого материала при разработке методики использовался тонкодисперсный порошок слюды. Для определения размеров частиц проводились серии опытов методом весовой гравитационной седиментации с использованием стартового слоя и микроскопический анализ того же порошка.
Установленные соотношения между седиментационным и микроскопическим диаметрами позволяют вычислить значения геометрического и динамического коэффициентов формы для частиц слюды по известным формулам.
Другим примером материала с неправильной формой частиц является волластонит. Частицы волласто-нита обладают игольчатой формой и анализ их методом оптической счетной микроскопии еще более затруднен по сравнению с частицами слюды, так как при такой форме частиц приходится замерять не один, а два характерных размера - длину и толщину.
Для определения размеров частиц проводились серии опытов с использованием весового седименто-метра и микроскопический анализ нескольких партий волластонита. В результате исследований получены среднестатистические значения массового содержания частиц волластонита по стандартным диапазонам фракций в виде интегральных и дифференциальных кривых распределения.
В результате исследований построена зависимость седиментационного диаметра — от микроско-
пического От для усреднённого дисперсного состава волластонита , описываемая уравнением
(7)
с достоверностью аппроксимации R2 = 0.997.
Обработка экспериментальных данных для определения связи средневзвешенного по числу частиц диаметра от длины частиц волластонита показала, что эта зависимость носит практически линейный характер и может быть описана уравнением
— = 0.07 . (8)
Проблема защиты персонала шахт от угольной пыли является сложной и актуальной задачей. Прежде всего, чтобы выбрать нужные средства защиты и оборудование необходимо провести ряд анализов и получить достоверный гранулометрический состав угольной пыли на различных участках производства.
Для определения гранулометрического анализа угольной пыли был использован программноизмерительный комплекс SDM-4. В качестве исследуемого материала использовались тонкодисперсные угольные порошки с плотностью ~ 1.5 г/см3.
Проведенные исследования показали, что процесс седиментации угольных частиц дает распределения частиц по размерам, хорошо описываемые логарифмически-нормальным законом. Применение данного метода расчета позволило получить интегральные и дифференциальные кривые распределения для частиц различных проб угольной пыли.
Как видно из приведенных кривых, распределение частиц по размерам является в основном бимодальным. Один максимум распределения находится в интервале от 1-5 мкм, другой в районе 5-25 мкм, причем массовое содержание частиц с размерами менее 5 мкм составляет от 8 до 45%. Таким образом, были получены результаты, позволившие оценить содержание тонкодисперсных частиц в угольной пыли.
Программно-измерительный комплекс SDM-4 успешно применялся для экспериментального изучения эффекта «группового» осаждения тонкодисперсных частиц при решении задач гидродинамической очистки водных сооружений от загрязнений угледобывающих производств.
Интерес к экспериментальному изучению эффекта "группового" осаждения тонкодисперсных частиц возник в связи ужесточением экологических требований на предприятиях угольной отрасли и необходимостью разработки нового эффективного метода очистки сточных шахтных вод от частиц угольного шлама .
Эффект заключается в том, что в месте с повышенной концентрацией частиц образуется «облако», которое за счет большей плотности оседает быстрее, чем частицы в местах с меньшей концентрацией. Проведенные исследования показали, что при изменении величины объемной концентрации Cv от 0.24 -
0.43 %, наблюдается уменьшение времени осаждения частиц дисперсной фазы с 45 до 25 секунд, т. е. имеет место эффект «группового» осаждения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Недорезов В. Г. Технология керметных резистивных структур и компоненты на их основе (монография). - изд. ПГУ г. Пенза, 2005, 220с.
2. Недорезов В.Г., Шульгин Е.И. Предельно достижимые значения температурного коэффициента сопротивления керметных резисторов // Электронная техника. Сер. б, Материалы. - 1987. - Вып.
8. - C. 36-39.
3. Недорезов В.Г. Модели проводимости в композиционных системах / В. Г. Недорезов, К.И. Домкин, В.А. Трусов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 315-318
4. Трусов В. А. Инновационные технологии в производстве вторичных алюминиевых сплавов / В. А. Трусов, Н.Н. Вершинин, Е.П. Селиванов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 380-383
5. Гусев А. М. Методика помола исходных материалов / А. М. Гусев, В. А. Трусов //Труды международного симпозиума надежность и качество. 2011. Т. 2. С. 134-136.
