14.05.2018

Оценка гомогенности смесей дисперсных окислов с алюминиевым порошком


Одним из основных преимуществ алюминотермического процесса является дисперсность шихтовых материалов, которая предопределяет чрезвычайно развитую контактную поверхность реагентов и как следствие этого — высокую скорость и полноту протекания реакций восстановления окислов металлов алюминием. Однако, как ясно из вышесказанного, это преимущество может быть реализовано лишь при проплавлении достаточно однородной шихты, так как при недостаточном усреднении шихтовых материалов площадь их непосредственного соприкосновения уменьшается, что снижает эффективность взаимодействия компонентов во время плавки.

Особенно важно обеспечение максимально возможной гомогенности шихты при алюминотермической плавке без подвода тепла извне, так как в этом случае при определенном уровне сегрегации компонентов шихты восстановление окислов металла алюминием оказывается невозможным.

Ниже рассматриваются некоторые закономерности смешения дисперсных материалов и наиболее простые способы оценки их гомогенности после окончания смешения.

Смешение дисперсных материалов сводится к процессу взаимного механического перемещения двух или нескольких компонентов, различающихся какими-то физическими свойствами или химическим составом, с целью получить готовый продукт с возможно более равномерным распределением частиц, а следовательно, и возможно более близкими свойствами или составом в любой части получаемого материала.

В дисперсной системе, представленной достаточно большим количеством частиц, движение каждой из них подчиняется законам механики, однако общий результат смешения всех частиц, определяющий однородность системы, не может быть измерен на основе только этих законов, поскольку он зависит от весьма большого количества факторов, причем предусмотреть влияние каждого на положение любой частицы в смеси практически невозможно. Поэтому для оценки характеристик совокупности частиц, входящих в дисперсную систему, следует обратиться к вероятностным представлениям и методам математической статистики. Результаты применения этих методов будут тем точнее, чем больше число частиц в рассматриваемой системе и чем более независимым является их перемещение в процессе усреднения.

Совершенной смесью двух компонентов можно было бы назвать такую, где любая одиночная частица симметрично окружается равным (постоянным) количеством частиц обоих компонентов. Однако такое представление лишено практического смысла, поскольку подобная модель нарушается при любом последующем перемещении. Более целесообразно считать идеальной смесь, в которой имеет место максимальная хаотичность распределения частиц.

Основная функция любого вида гомогенизации дисперсных материалов заключается в создании условий, обеспечивающих подвижность смешиваемого материала и достаточно произвольное распределение компонентов в объеме смеси. Для достижения высокой степени гомогенизации необходимо, чтобы, во-первых, первоначально разделенные компоненты были распределены во всем объеме смеси (макросмешение), и, во-вторых, отдельные зерна проникали из участков, богатых одним компонентом, в участки, где находится большее количество второго компонента, через границы, разделяющие зоны с преобладающей массовой долей того или иного компонента (микросмешение). Высокая степень усреднения достигается только в том случае, если одновременно протекают оба этих независимых процесса.

В настоящее время наиболее полно изучено смешение дисперсных материалов в цилиндрическом смесителе. В зависимости от соотношения между центробежной силой тяжести при этом способе смешения можно выделить несколько характерных состояний движения материала. В первом, называемом каскадным, частицы вначале поднимаются до высшей точки пути, пока не превышается максимальный угол естественного откоса, после чего под действием силы тяжести и взаимного трения они скатываются по основной массе материала к нижней поверхности смесителя, где их движение тормозится или стенкой барабана, или взаимодействием с другими частицами (рис. 57, а), затем цикл смешения повторяется, причем до начала спуска по скату смешения материала не происходит.
При очень малой степени заполнения смесителя в начале цикла может наблюдаться скольжение всего материала вследствие малой силы трения между стенкой барабана и материалом, что ухудшает смешение (увеличивается «мертвое время»). С другой стороны, при высокой степени заполнения барабана качество смешения ухудшается вследствие уменьшения отношения массы перемещающихся по скату зерен к общей массе материала. Экспериментальное исследование вращающихся смесителей показало, что оптимальным является заполнение лабораторных цилиндрических смесителей примерно на одну треть объема, хотя с целью повышения производительности номинальной загрузкой вращающихся смесителей, например в США, считается 65%.

Каскадный механизм смешения наблюдается лишь до определенных скоростей, выше которых вследствие возрастания центробежных сил частицы поднимаются на большую высоту, с которой они падают на наклонную плоскость и скатываются по ней вниз (катарактное или лавинообразное движение, рис. 57, б). Скорость, при которой происходит изменение характера движения частиц от каскадного к катарактному, называется критической. При дальнейшем повышении скорости вращения смесителя возможен еще один механизм смешения — частицы некоторое время остаются на стенке барабана, затем, минуя стадию скатывания по материалу, падают на нижнюю кромку наклонной поверхности (равновесное движение, рис. 57, в).

Оптимальные условия гомогенизации создаются в случае, когда скорость вращения барабана находится в пределах между скоростями, соответствующими критическому и равновесному движению зерен. По экспериментальным данным, скорость вращения, соответствующая тому или иному механизму движения частиц, для любого типа вращающегося смесителя зависит от диаметра барабана и степени его заполнения и определяется по уравнению
где w — скорость вращения, об/мин;

D — внутренний диаметр смесителя, м;

U — объемная загрузка смесителя материалом, %;

R — константа, равная 52 для критического характера движения частиц и 72 для равновесного.

Повышение скорости вращения смесителя выше равновесной приводит к прилипанию всей массы материала к стенкам барабана, вследствие чего смешение прекращается. Этому случаю соответствует R = 86.

Для вращающихся смесителей, работающих в оптимальном режиме, характерна сравнительно небольшая длительность смешения: если в течение 5—20 мин не получено удовлетворительного Усреднения компонентов, дальнейшее смешение нецелесообразно и следует искать причину, мешающую гомогенизации смеси.

Вращающийся цилиндрический смеситель обладает рядом недостатков, вследствие чего его трудно использовать для получения смеси с высокой степенью гомогенизации, если зерна смешиваемых компонентов различаются по физическим свойствам.

Частицы меньшего размера всегда имеют больший угол естественного откоса, чем крупные, поэтому крупные зерна быстрее скатываются по поверхности материала и проходят большой путь; аналогичная ситуация складывается и при различиях в плотности зерен. По мере вращения смесителя мелкие или более тяжелые зерна непрерывно проскакивают через пустоты в материале, в результате чего в центральных слоях материала образуется неподвижное ядро, обогащенное этими частицами, т. е. возникает сегрегация смеси в радиальном направлении.

Другим недостатком цилиндрического смесителя является то, что скорость смещения вдоль оси значительно меньше радиальной, поэтому осевое смешение, происходящее в случае, когда частица переходит из одной радиальной плоскости в другую, является лимитирующей стадией процесса гомогенизации.

В различных радиальных плоскостях цилиндрического смесителя создаются разные скорости перемещения зерен вследствие взаимодействия материала с торцовыми стенками смесителя. Наличие градиента скоростей приводит к перемещению зерен из менее подвижных в более подвижные радиальные зоны; при этом в случае различия размеров и плотности зерен возникает их сегрегация в осевом направлении.

В зависимости от свойств материала и стенок барабана, а также размеров смесителя в равновесном состоянии может возникнуть одна из следующих форм сегрегации:

а) радиальная — мелкие (или тяжелые) частицы образуют горизонтальное ядро (рис. 58, а);

б) радиально-осевая — мелкие (или тяжелые) частицы находятся преимущественно в двух торцовых слоях, связанных небольшим горизонтальным ядром (рис. 58, б);

в) осевая — по длине смесителя образуются чередующиеся слои мелких и крупных (или тяжелых и легких) частиц (рис. 58, в).
Устранить сегрегацию можно двумя путями: во-первых, подбором крупности и плотности зерен, исключающим (или делающим несущественным) расслоение материала, и, во-вторых, выбором оптимальной схемы гомогенизации.

Опыт выпуска дисперсных стандартных образцов состава показывает, что при размерах зерен, больших чем 0,04—0,06 мм, достаточно однородную смесь удается получить только в случае, если отношение крупности узких фракций не превышает 3—4. Более дисперсные материалы усредняются достаточно хорошо вне зависимости от соотношения крупности узких фракций, что, по-видимому, объясняется образованием устойчивых агрегатов зерен разного состава.

Различия в плотности (р) компонентов влияют на качество смешения в значительно меньшей степени, чем различия крупности их зерен — заметная сегрегация наблюдается лишь при pmax:pmin > 3.

С целью уменьшения сегрегации зерен в процессе гомогенизации дисперсных материалов барабанные смесители оборудуют полками, турбулизаторами или винтовыми пластинами, интенсифицирующими осевое смешение. Наклон оси барабана также способствует более высокой степени гомогенизации.

На рис. 59 показаны некоторые типы вращающихся смесителей, используемых в различных отраслях промышленности.
Оценка качества смешения шихтовых материалов проводится на основании исследования изменчивости состава проб, отобранных в разных участках смеси. В этих целях может быть использовано определение содержания алюминия в пробах, проплавление небольших порций шихты с последующим анализом металла и т. д.

Среди способов измерения изменчивости массовых долей компонентов бинарных систем отметим следующие. А.М. Парфенов определяет коэффициент однородности путем сравнения установленного на ряде проб или единичной пробе отношения массовой доли компонента к его действительной массовой доле, т. е. Pi:Ри или P:Ph (Pi — массовая доля исследуемого компонента в пробе; P —средняя массовая доля компонента в ряде проб; Pи — действительная массовая доля компонента).

А.М. Парфенов вводит также понятие эффективности смешения, определяемое уравнением
где Vmax и Vmin — максимальная и минимальная оценки коэффициента вариации массовой доли, получаемые при изучении нескольких проб.

По мнению В.Г. Зашквары, об эффективности смешения можно судить по соотношению
где АРi — размах массовой доли компонента, полученный при изучении ряда проб.

В том случае, когда распределение частиц в бинарной смеси можно полагать полностью рандомизированным и когда все частицы системы практически не различаются по физическим свойствам, среднее квадратическое отклонение долей частиц компонентов o0 выражается уравнением
где P — доля частиц первого компонента;

N — число частиц в контрольной пробе.

Соотношение (97) приводится к виду
где M — масса пробы;

m — масса одной частицы.

Статистически однородную смесь возможно получить лишь при полной идентичности физических свойств составляющих ее зерен. Поэтому уравнения (97) и (98) могут характеризовать лишь предельно возможный для данной смеси уровень однородности.

Любые дисперсные материалы различаются формой и размерами образующих их частиц. При смешении таких материалов усреднение смеси неизбежно сопровождается расслоением из-за переменной подвижности частиц. Если смешение приводит к ликвидации зон частиц с одинаковыми свойствами в результате взаимной заменяемости при перемещении, то в результате расслоения частицы одного из компонентов накапливаются в определенных участках. Однородность материала является результатом двух процессов — смешения и расслоения — и оказывается значительно ниже, чем определяемая для данной системы уравнениями (97) и (98). Для оценки качества смешения нерандомизированных систем наиболее широко используется эмпирическая оценка среднего квадратического отклонения
В ряде случаев вместо стандартного отклонения для измерения однородности применяется коэффициент вариации о:Pи или о:P.

При использовании оценок величины о необходимо учитывать, что эмпирическое среднее квадратическое отклонение массовых долей компонентов правильнее характеризовать не формулой (99), а соотношением
где ок2 —дисперсия, характеризующая точность метода контроля однородности;

lк — число измерений массовой доли в каждой пробе.

При выполнении условия
соотношение (100) переходит в формулу (99). Для методов контроля однородности, обладающих большой погрешностью, не исключена возможность перехода уравнения (100) в выражение
не содержащее информации о величине о.

Детальное изложение вопросов, связанных с обеспечением однородности дисперсных материалов и метрологически корректным измерением уровня гомогенности после смешения, приведено, например, в монографии.





Яндекс.Метрика