ПРОЦЕССЫ ГРАНУЛИРОВАНИЯ в РОМЫШЛЕННОСТИ

ПРЕССОВОЕ ГРАНУЛИРОВАНИЕ

Гранулы, полученные в результате прессового грану­лирования, сочетают в себе высокую дисперсность, иногда превосходящую дисперсность исходного сырья, с прочной структурой, благодаря чему они не пылят и не слежива­ются [49; 79]. Прессовое гранулирование широко приме­няется для таких материалов, к которым, в первую очередь, предъявляется требование высокой дисперсности составля­ющих частиц и хорошей делимости. Этим способом грану­лируют ускорители вулканизации резины, пигменты [211, стабилизаторы полимерных материалов [49] и т. д.

К недостаткам прессового гранулирования относятся сложность оборудования и энергоемкость процесса.

Прессовое гранулирование можно определить как про­цесс изменения структуры исходного вещества посредст­вом механических воздействий сжатия и сдвига с после­дующим формованием в гранулы необходимой формы.

Исходный порошок, или смесь порошков, подвергается объемному сжатию и сдвигу и, как правило, переводится в пастообразное состояние, а затем масса, приобретшая определенную структуру, формуется в гранулы.

По своей сущности прессовое гранулирование относится к типичным процессам, разрабатываемым физико-хими­ческой механикой дисперсных структур, поскольку при его проведении стремятся получить определенную структуру с помощью механических воздействий. Выше нами уже рассмотрено поведение порошков при сдвиговых нагрузках, которые возникают при различных процессах гранулиро­вания и перемещения порошков и гранул. Механические воздействия на порошок при прессовом гранулировании сводятся к сдвигу и объемному сжатию.

Прессовое гранулирование, как уже отмечалось выше,— одна из наименее изученных областей гранулирования. Но использовав сходство аппаратурного оформления процесса (шнековые и дисковые экструдеры), физико-механических изменений, происходящих при этом, с аналогичными про­цессами в других областях техники, мы можем получить плодотворные результаты. При рассмотрении механических процессов, происходящих при прессовом гранулировании порошков, можно использовать положения строитель­ной механики сыпучих тел, порошкового металловедения и пр.

В массе свеженасыпанного порошка напряжения на контактных участках частиц уравновешивают давление, равное собственному весу вышележащих частиц. При при­ложении дополнительной нагрузки часть контактов раз­рушается, происходит перемещение частиц, в результате чего уменьшается пористость порошка и возрастает его плотность. Но разрушение некоторых контактов вызывает повышение напряжений в оставшихся, что в дальнейшем также ведет к их разрушению. Результатом этого процесса является уменьшение объема порошка за счет уменьшения пористости.

При сжатии порошков поочередно, а иногда одновре­менно развивается несколько видов деформации, зависящих также в значительной степени от свойств порошка. В на­чальный период уплотнения происходит структурная дефор­мация, заключающаяся в изменении относительного поло­жения частиц. В этом периоде может не увеличиваться кон­тактная поверхность, поскольку изменение ее происходит в результате преодоления сил трения при отсутствии пластического деформирования и хрупкого разрушения частиц. При этом возрастает механическая прочность на сжатие, поскольку возрастает сила зацепления шерохова­тостей частиц и сила заклинивания частиц друг с другом. С увеличением количества контактов возрастает и суммар­ная сила трения, что приводит к увеличению в конечном итоге прочности. Однако характер возрастания прочности с увеличением плотности порошка значительно зависит от свойств порошков.

Второй период сжатия характеризуется изменением характера деформации: структурная деформация сменяется упруго-пластической или упруго-хрупкой, в зависимости от свойств частиц порошка к такого рода изменениям. Если порошок состоит из равноосных частиц (близких по форме к сферическим) упруго-хрупкого материала, то при уплотнении форма и состояние поверхности частиц остают­ся неизменными, увеличивается только площадь контактов между частицами, в результате чего растет сила заклини­вания и трение качения. Но при значительном увеличении плотности вплоть до максимально возможной возрастание прочности на сжатие будет невелико. При нагружении порошка, состоящего из пластичных частиц неправильной формы, одновременно с возрастанием плотности значитель­но растут силы зацепления и заклинивания частиц, что препятствует дальнейшему уплотнению порошка. В итоге при значительно меньшей плотности укладки по сравнению с частицами правильной формы будет достигнута высокая прочность. Для хрупких частиц неправильной формы характерен быстрый переход от структурной деформации к упруго-хрупкой. При прессовании в червячных прессах и некоторых других аппаратах масса порошка неодно­кратно подвергается воздействию рабочих органов, что приводит как бы к последовательным циклам нагрузки и разгрузки отдельных порций порошка (или пасты).

В работе [27] рассмотрены случаи чередующейся на­грузки и разгрузки при сжатии и установлено, что вслед­ствие необратимости процесса уплотнения сыпучих тел (прессование), связанного со структурными деформациями, кривая разгрузки, носящая название кривой набухания, не совпадает с кривой нагрузки, а проходит ниже ее. При дальнейших нагружениях и разгрузках наблюдается явление гистерезиса, подобное отображенному на рис. 6, в качестве сыпучего материала использовалось пшено. Это явление объясняется следующим образом: в результате первоначального нагружения возникает деформация, в ко­торой имеется структурная (необратимая) и значительно меньшая величина упругой (обратимой) деформации.

При дальнейших нагружениях доля структурной дефор­мации резко уменьшается по сравнению с упругой и в конечном счете исчезает. Остаются только упруго-пла­стические деформации, величина которых соответствует величине сжимающей нагрузки.

Соотношение между величинами структурных и упру­гих деформаций (вид петли гистерезиса) зависит как от физико-механических свойств порошка, так и от величины нагрузки.