Гранулирование материалов

Пластическая прочность порошков

Одним из важнейших положений физико-химиче­ской механики дисперсных систем, разработанной П. А. Ребиндером [114], является тот факт, что меха­нические свойства физических тел (прочность, плас­тичность, вязкость) обусловливают их способность со­противляться деформациям и разрушению под воздей­ствием внешних сил. Механические свойства тела за­висят от его строения — структуры. При этом под струк­турой подразумевается не только строение кристалли­ческой решетки тела, но и его дисперсность.

Метод определения пластической прочности, пред­ложенный для мелкодисперсных керамических масс [95], заключается в определении величины погружения конуса в исследуемую структуру под действием посто­янной нагрузки. Этот метод, применение которого оправ­дано для дисперсной фазы, нерастворимой или малорас­творимой в воде, не может быть использован для опре­деления пластический прочности структур порошков,
•хорошо растворимых в воде, например минеральных ■удобрений, что обусловлено трудностями, связанными о выбором эталонной нагрузки, постоянной для различ­ных состояний водорастворимых структур.

Поэтому для определения пластической прочности - порошков минеральных удобрений использовали метод -погружения конуса с постоянной скоростью на одну и ту же глубину исследуемой структуры [70]. В ходе по­гружения конуса усилие сопротивления структуры не­прерывно возрастает, поскольку увеличивается площадь контакта конуса с образцом. Усилие сопротивления по­гружению конуса непрерывно фиксируется вторичным прибором. Пластическую прочность рассчитывают по предельному значению силы сопротивления образца

(1-15)

где <Тк — пластическая прочность образца, кПа; Рт — сила сопро­тивления образца, Н; hi— глубина погружения конуса, м; ka—кон­станта конуса, зависящая только от угла при вершине;

<p — угол при вершине конуса; g — ускорение свободного падения, - м/с2,

В соответствии с рекомендациями работы [95] оп­ределены объем засыпаемой пробы исследуемого по­рошка и глубина погружения конуса. При этом диаметр и высота чашки для засыпки исследуемого образца со­ставляли 40 и 14 мм; глубина погружения конуса (вы­брана с учетом придонного эффекта) 6 мм и угол при вершине конуса 60°. Для принятых условий ka = = 0,405-105.

Скорость погружения конуса в образец была посто­янной и составляла 0,75 см/с. Для исключения погреш­ности определения максимального усилия при погру­жении конуса исследуемый образец предварительно уплотняли на вибростоле.

Разработанный метод определения пластической прочности позволил усовершенствовать конический пла - стомер.

На рис. 1-16 изображена схема прибора для опре­деления пластической прочности водорастворимых по-

рошков. Чашку 3 с исследуемым образцом помещали на стол 9, закрепленный на плунжере 4, опирающемся своим нижним основанием на тарированную пружи­ну 5. Конус 2 был закреплен на штоке 1, совершавшем возвратно-поступательное движение. При опускании конуса пластина-ограничитель 6 соприкасалась со шты­рем 8. При этом на вход блока управления 7 поступал сигнал, и погружение конуса прекращалось. После по­гружения конуса на заданную глубину на реверсивный двигатель РД-09 привода штока 1 поступал вторичный сигнал. При этом конус, закрепленный на штоке, вновь поднимался. Сила сопротивления образца погружению конуса фиксировалась вторичным прибором 11.

Рассмотрим некоторые результаты определения пла­стической прочности порошков минеральных удобрений.

На рис. 1-17 и 1-18 приведены типичные кривые из­менения пластической прочности образцов при увлаж­нении и подсушке в зависимости от исходной влажно­сти шихты. Как видно из рисунков, характер этих за­висимостей в области малых влагосодержаний шихты различен для случаев увлажнения или сушки испытуе­мых образцов и сопровождается гистерезисом в области влажностей: менее 6% —для РК-смеси № 2 и менее 8% —для двойного суперфосфата.

Рис. 1-17. Зависимость пластиче­ской прочности РК-смеси № 2 от влажности:

1 — при увлажиеннн; 2 — при сушке.

Пластическая прочность в этих интервалах влажно­стей образцов имеет минимальные значения при увлаж­нении шихты и максимальные при сушке. При дальней­шем повышении влажности (более 6% для РК-смеси № 2 и более 8% — для двойного суперфосфата) изме­нение пластической прочности образцов не зависит от способа их увлажнения. Наибольшие значения пласти­ческая прочность принимает при влажности двойного суперфосфата 17—19% и влажности РК-смеси № 2 13-14%.

Из приведенных закономерностей видно, что пла­стические свойства определяются не только видом удоб­рений и содержанием в них жидкой фазы (влаги), но и характером связи влаги с твердой фазой. Рассмотрим подробнее кривые изменения пластической прочности при увлажнении и сушке образцов (на примере РК-сме­си № 2).

По мере увлажнения образцов смеси от 0,8 до 2,5— 3,0% уменьшение пластической прочности обусловлено смазывающим действием влаги, адсорбированной на поверхности частиц порошка (см. характер измене­ния коэффициентов внутреннего трения при увлажнении образцов). Дальнейшее повышение влажности (более

4%) приводит к возникновению капиллярно-адсорбци­онных сил связи, что способствует увеличению пласти­ческой прочности, достигающей максимального значе­ния при влажности №=13,5%. Понижение пластиче­ской прочности РК-смеси № 2 при влажности более 14% связано с увеличением избытка жидкой фазы на поверхности частиц, что приводит вначале к частично­му, а затем и к полному их растворению. Влажность порошка, при которой его пластическая прочность рав­на нулю, характеризует отсутствие межчастичных связей, т. е. определяет предельную влажность, при которой отсутствует возможность гранулообразова - ния.

Зависимость пластической прочности от влажности порошков при их подсушке имеет иной характер (см. кривые 2 на рис. 1-17 и 1-18). Например, при уменьше­нии влажности РК-смеси от 6 до 2% пластическая прочность возрастает. Это объясняется тем, что при подсушке порошковидной шихты вначале испаряется поверхностная влага и частично образуются твердые

солевые мостики в местах контакта частиц. Уменьшение ) пластической прочности при содержании влаги в образ - | це менее 2% свидетельствует об исчезновении локаль­ных солевых срастаний при более глубокой сушке по­рошка.

Следовательно, гистерезис на кривых изменения пластической прочности в зависимости от влажности обусловлен тем, что при увлажнении образца (кри­вая 1 — прямой ход) на взаимодействие частиц оказы­вает смазывающее или связывающее воздействие вода, внесенная на их поверхность, а при сушке образца (кривая 2 — обратный ход) характер взаимодействия частиц определяется воздействием на них жидкой фазы, выделяющейся на поверхность из внутренних пор и представляющей собой, как правило, насыщенный рас­твор солей твердой фазы.

Таким образом, пластическая прочность имеет мак­симальные значения в условиях наибольшего проявле­ния межчастичных связей. Для исследованных мате­риалов максимальная пластическая прочность шихты находится в следующих интервалах влажности: 2,2— 3,3 и 17,0—19,0%—для двойного суперфосфата; 1,8—

2,5 и 13,0—14,0% —для РК-смеси № 2.

Наличие двух интервалов влажности порошков, при которых их пластическая прочность принимает макси­мальные значения, указывает на возможность гранули­рования двумя методами. Так как в области малых влажностей межчастичные связи недостаточны для об­разования устойчивых и прочных агломератов, в этом интервале оптимальных влажностей для гранулирова­ния целесообразно использовать метод прессования.

В области влажностей 17,0—19,0% (для двойного су­перфосфата) и 13,0—14,0% (для РК-смеси № 2) более оправданно использовать окатывание. Подтверждением этому служит широкое применение в промышленности метода окатывания для гранулирования двойного су­перфосфата при влажности 17—18% и РК-удобрений при влажности 13,0—14,0% '[106].

Как показала промышленная практика, оптималь­ной влажностью шихты РК-удобрений, гранулируемой методом прессования, является 1,8—2,5%). Отсюда еле-С дует важный в практическом отношении вывод о том, что максимальные значения пластической прочности'

порошков соответствуют оптимальным условиям их гра­нулирования.

Последующими исследованиями установлено, что пластическая прочность порошков изменяется с измене­нием их гранулометрического состава и температуры. В табл. 1-3 представлены результаты изменения пласти­ческой прочности двойного суперфосфата в зависимости от гранулометрического состава.

На рис. 1-19 представлена зависимость пластической прочности РК-смеси № 2 от температуры. Пластическая прочность этого порошка монотонно увеличивается с повышением температуры. Следовательно1, как уже от­мечалось ранее, повышение температуры способствует когезионной активности шихты, увеличению межчастич­ного сцепления и повышению эффективности грануло - образования.

Из приведенных результатов исследования пластиче­ской прочности следует, что разработанная методика позволяет не только обосновать целесообразный метод гранулирования, но и оптимизировать определяющие его технологические параметры.