CC BY
5
УДК 962-503.5 DOI 10.21661/r-560327
Дин К.Ц.
Ультрапрецизионная весовая подача при порционном дозировании нанопорошковых материалов
Аннотация
В статье рассматриваются существующие способы и оборудование для дозирования порошковых материалов. На основе оценки погрешности объемных питателей определена необходимость использования вместо них весовых питателей: вибрационных питателей или питателей газовой взвеси порошков. Для дозирования сверхмалых порций порошков перспективным является использование питателей газовых взвесей порошков.
■ Ключевые слова: дозирование, сыпучие материалы, питатель, точность.
Ding Kai Jian
Ultraprecise weight feed at batching of nanopowder materials
Abstract
In the article the current ways and the equipment for batching of powder wmaterials are considered. On the basis of an estimation of volume feeders accuracy authors revealed a necessity of use instead of them weight feeders: vibratory feeders or feeders of a suspension of powders in gas. There is perspective to use of feeders of suspensions of powders in gases for batching of ultra tiny portions of powders.
Keywords: batching, powder materials, feeder, accuracy.
Свойства нанопорошковых материалов существенно отличаются от свойств обычных порошков с микронными и субмикронными частицами [1-2]. Наиболее значимым с точки зрения дозирования отличием является существенно более высокая дисперсия плотности нанопорошков.
Главной причиной высокой дисперсии плотности нанопорошков является их малая насыпная плотность по сравнению с плотностью скелета порошка.Насып-ная плотность нанопорошков обычно составляет не более 15-20% плотности скелета. При хранении нано-порошка под действием его собственного веса происходит слеживание и слипание, в результате изменяется насыпная плотность. Если для порошков с размером частиц свыше 100 мкм среднеквадратичное изменение плотности обычно составляет не более 5-10%, то для нанопорошков - свыше 50%.
Указанные специфические свойства нанопорошков необходимо учитывать при разработке дозирующей системы. Оптимальная система для дозирования нано-порошков должна обладать минимальной чувствительностью к дисперсии плотности и сыпучести материала.
Обычно для сыпучих материалов с непостоянной плотностью используют весовое дозирование, т.е. дозирование, в котором контролируемым (с помощью измерительного устройства) параметром является вес
(масса). В случае дозирования нанопорошковых материалов этого недостаточно.
Дозирующая система в общем случае состоит из питателя, измерительного устройства и устройства управления подачей материала [3]. В весовом дозаторе измерительное устройство контролирует текущее значение массы (веса). В частности, при порционном весовом дозировании измерительное устройство, отслеживающее текущее значение веса (массы), подает сигнал устройству управления подачей на отключение (при дозировании в один этап или при достижении полного значения порции) или изменение интенсивности подачи материала (при дозировании в несколько этапов).
Недостатком существующих весовых дозаторов является то, что основная их часть использует объемные питатели, расход которых определяется как объем материала за единицу времени. Шлюзовые, тарельчатые, шнековые, ленточные и многие другие питатели, широко используемые для подачи материала в дозирующих системах, являются объемными.
В весовых дозаторах, использующих объемные питатели, при управлении подачей предполагается пропорциональность объемного и массового расхода питателя. В действительности вследствие флуктуаций плотности подаваемого материала плотность материала в потоке непостоянна. Погрешность, возникающая в результате того,
что подача материала осуществляется объемным способом, а контролируется через измерение веса (массы), неустранима, поскольку отклонение плотности дозируемого материала заранее предсказать невозможно.
В качестве примера рассмотрим шнековый питатель - один из наиболее распространенных типов питателей, используемых для дозирования порошковых материалов. Массовую производительность питателя определяют по уравнению [4]:
Q = 15п^21уфр, кг/ч (1)
где п - частота вращения ротора, об/мин; D - диаметр ротора, м; 1 - длина ротора, м; у - коэффициент использования ротора, ф - коэффициент заполнения, р - плотность (насыпная масса) дозируемого материала, кг/м3.
Коэффициенты использования и заполнения ротора, в свою очередь, определяются исходя из следующих зависимостей:
9 =
I Fk
п
V 2 у
(2)
Где - площадь сечения ячеек ротора, м;
<Р =
Q
fact
Q
fact
Qte
nly
2
V 2 у
(3)
ставом частиц дозируемого порошка). Погрешность подачи материала с использованием вибропитателей колеблется в весьма широких пределах. Для прецизионных питателей характерна допустимая погрешность 0,25-0,5% (масс.).
Точность подачи склонного к слеживанию сыпучего материала может быть увеличена при использовании вибропитателя, показанного на рис. 1 [8]. Для расслоения подаваемого материала служит установленный на рабочей поверхности лотка клиновой рассекатель, который выполнен в виде набора параллельных пластин, расположенных с зазором. При работе питателя пластины рассекателя также совершают колебательные движения и предупреждают образование комков материала в загрузочной течке, увеличивая точность подачи.
Где Qfact, Qteor - фактическая и теоретическая объемные подачи за один оборот ротора.
Погрешность массового расхода подачи порошкового материала с помощью шнекового питателя в результате определяется непостоянством частоты вращения ротора, коэффициентов использования и заполнения ротора, а также плотности дозируемого материала.
При дозировании нанопорошков и других материалов с очень высокой дисперсией плотности представляется целесообразным использовать не только весовые измерительные устройства, но и весовые питатели, т.е. устройства, обеспечивающие заданный весовой расход материала независимо от плотности материала. Разнообразие весовых питателей не особенно велико. Наиболее перспективными являются две группы питателей.
К первой группе относятся вибрационные питатели [5]: лотковые вибропитатели и виброактиваторы. В этих питателях поступательное движение материала обеспечивается за счет создания колебаний, направленных под некоторым углом к наклонному лотку или конусному виброднищу. В качестве приводов вибропитателей используются механизмы, обеспечивающие возвратно-поступательное движение: электромагнитный и пневматический шариковый электропривод, вращающиеся дебалансы и др.
Вибропитатели в настоящее время являются одним из наиболее распространенных типов питателей, применяемых для подачи порошковых материалов с самыми различными физико-механическими свойствами (сыпучестью, адгезионными и когезионными свойствами, средним размером и фракционным со-
Рис. 1
Расчет производительности вибрационных питателей проводится по формуле [6]:
QM = уВКУ, кг/ч (4)
Где В - ширина лотка, м; h - высота слоя материала на лодке, м; у - насыпная масса материала, кг/м3; V -средняя скорость материала, м/с.
Величина средней скорости движения материала на лотке может быть определена по известной формуле (для частоты колебаний п более 1700 об/мин):
V = КАлю^Р (5)
пп
где К = К^К^па; ш = —; К1, К2 - коэффициенты, зависящие от свойств материала, определяемые из эксперимента; Ал - амплитуда колебаний лотка, м; ю - угловая частота, с-1; а - угол наклона лотка, град; в - угол между плоскостью колебаний и лотком питателя, град.
Часто конструкция реализована таким образом, что углы а и п - в равны, т.е. колебания происходят в горизонтальной плоскости. Поскольку коэффициенты К1 и К2 трудно установить с высокой точностью, то требуемую производительность обеспечивают за счет корректирования исходного угла наклона лотка. Далее, в процессе работы питателя угол наклона обычно не изменяют, а регулирование осуществляют за счет изменения частоты колебаний, амплитуды или сечения потока материала.
В случае дозирования нанопорошков часто требуется дозировать сверхмалые порции (граммы, а в ряде случаев - тысячные или даже миллионные доли грамма). Для дозирования сверхмалых порций нанопорошков перспективным является использование питателей газовых взвесей порошков [7-9]. В питателях этой группы
ультрадисперсный порошковый материал смешивается с воздухом или (при высокой химической активности порошка) инертным газом. С помощью специальных устройств смесь преобразуется во взвесь с заданной плотностью. Контроль плотности взвеси осуществляется в основном оптическими средствами (нефелометрами или турбидиметрами) в соответствии с заданным соотношением оптической прозрачности взвеси и ее плотности. По мере уменьшения плотности взвеси повышается точность измерения ее плотности, а следовательно, сокращается погрешность ее подачи. В настоящее время достижимая погрешность подачи взвеси нанопорошка карбида вольфрама в воздухе составляет 0,5% при расходе 0,05 г/с и мутности взвеси 10 №ГО (примерно соответствует содержанию порошка 6 мг/л).
В настоящее время питатели газовых взвесей порошков практически не применяются. Это обусловлено слабой проработанностью теоретических аспектов поведения частиц нанопорошка в газе. Кроме того, настоятельная необходимость в использовании таких питателей сформировалась лишь в последние годы
в связи с развитием нанотехнологий и расширением применения нанопорошков [10-12]. В ближайшие годы следует ожидать повышения внимания ведущих мировых производителей дозирующего оборудования к питателям указанного типа.
Выводы.
1. В ультрапрецизионных дозирующих системах для нанопорошков необходимо вместо традиционных объемных питающих устройств использовать весовые питатели.
2. Наиболее перспективными питающими устройствами для прецизионной подачи нанопорошковых и иных мелкодисперсных порошковых материалов являются вибрационные питатели и питатели газовых взвесей порошков.
В случае дозирования сверхмалых порций нанопо-рошков необходимо использовать питатели, обеспечивающие сверхмалую интенсивность подачи материала. Такими свойствами обладают питатели газовых взвесей нанопорошков.
Литература
1. Григорьев С.Н. Технологии нанообработки: учебное пособие / С.Н. Григорьев, А.А. Грибков, С.В. Алешин. - Старый Оскол: ТНТ, 2008. - 320 с.
2. Панов В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них / В.С. Панов, А.М. Чувилин. - М.: МИСИС, 2001. - С. 148-150.
3. Григорьев С.Н. Дозирование порошковых материалов при производстве твердосплавного инструмента: монография / С.Н. Григорьев, А.А. Грибков. - М.: МГТУ «Станкин», 2010. - 377 с.
4. Каталымов А.В. Дозирование сыпучих и вязких материалов / А.В. Каталымов, В.А. Любартович. - Л.: Химия: Ленинградское отделение, 1990. - 240 с.
5. Григорьев С.Н. Определение общих требований к точности элементов дозирующей системы / С.Н. Григорьев, А.А. Грибков // Технология машиностроения. - 2010. - №3. - С. 37-39.
6. Грибков А.А. Автоматизация и управление высокоточного порционного дозирования порошковых материалов: монография / А.А. Грибков. - М.: МГТУ «Станкин», 2011. - 236 с.
7. Грибков А.А. Повышение точности и производительности автоматизированных систем весового порционного дозирования материалов / А.А. Грибков // Мехатроника, Автоматизация, Управление. - 2010. - №9. - С. 61-65.
8. Григорьев С.Н., Грибков А.А. Дискретное и непрерывное адаптивное управление интенсивностью подачи материала при поэтапном порционном весовом дозировании / С.Н. Григорьев, А.А. Грибков // Автоматизация и современные технологии. -2011. - №4. - С. 3-5.
9. Метель А.С. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов: физика, техника, применения / А.С. Метель, С.Н. Григорьев. - М., 2005. - 296 с.
10. Григорьев С.Н. Разработка технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент на основе минерало-керамики и кубического нитрида бора / С.Н. Григорьев, В.Г. Боровский // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. - 2003. - №3. - С. 5-6.
11. Григорьев С.Н. Современное вакуумно-плазменное оборудование и технологии комбинированного упрочнения инструмента и деталей машин / С.Н. Григорьев // Технология машиностроения. - 2004. - №3. - С. 20-26.
12. Метель А.С. Заполнение рабочей камеры технологической установки однородной плазмой с помощью стационарного тлеющего разряда / А.С. Метель, С.Н. Григорьев, Ю.А. Мельник [и др.] // Физика плазмы. - 2009. - Т. 35. №12. - С. 1140-1149.
