ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ. ГРАНУЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ. В ПЛАНЕТАРНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГРАНУЛИРОВАНИЯ

5.1. Образование гранул в планетарном грануляторе

В каждой области применения гранулированных материалов требуется определенный гранулометрический состав и структура гранул. Знание последовательности этапов гранулообразования по­зволяет управлять процессом путем оптимизации параметров грану­лирования для получения материала необходимого гранулометриче­ского состава и структуры.

Гранулирование в планетарном грануляторе отличается от гра­нулирования в обычном барабанном грануляторе тем, что под дейст­вием центробежного ускорения при высокой планетарной скорости вращения (400-1200 об/мин) давление в сыпучем материале на 1-2 по­рядка больше, чем в обычном грануляторе. Кроме того, в 80-240 раз выше скорость соударения частиц. При взаимодействии частиц в планетарном грануляторе напряжения, возникающие в месте их контакта, высоки, что влияет на процессы разрушения и агломерации гранул, тогда как напряжения в местах контакта частиц в обычном грануляторе не значительны и не влияют на процесс окатывания.

Экспериментальные исследования проводились при относитель­ной скорости вращения барабанов, направленной в обратную сторо­ну относительно планетарной скорости.

Для исследований использовали композиционный материал, приготовленный следующим образом: сыпучие (сода кальциниро­ванная, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), сульфат натрия, триполи- фосфат натрия) и жидкие компоненты (силикат натрия (жидкое стек­ло), алкилбензосульфат калия, вода) смешиваются, направляются в распылительно-сушительную башню, в которой композиция высу­шивается до образования полых гранул [21]. Влажность композиции после сушки не превышает 15 %, при такой влажности материал не слеживается. Объемные доли композиции следующие: сода кальци­нированная - 5,5 %, карбоксиметилцеллюлоза - 0,5 %, сульфат на­трия - 31 %, триполифосфат натрия - 38 %, силикат натрия (жидкое стекло) - 8 %, алкилбензосульфокислота - 17 %. Форма отдельных частиц - овальная, грушевидная. Мелкие фракции состоят из малых полых шариков и обломков более крупных частиц. Крупные фракции (более 3 мм) состоят из соединенных вместе нескольких пустотелых гранул или из агломератов, состоящих из мелких гранул (рис. 6.1). Насыпная плотность пустотелых гранул в 2-3 раза меньше, чем у агломератов. Фракции более 1 мм легко разрушаются при транспор­тировании. Фракции 0,5-1 мм в основном имеют сферическую фор­му. Эти гранулы более прочные, не пылят [46].

Исследования показали следующую последовательность грану­лообразования [47].

Первые 2 минуты гранулирования происходит помол слабых гра­нул порошка, насыпная плотность увеличивается на 80-90 % [48, 49].

Под действием избыточного давления со стороны соседних гра­нул, являющегося следствием их центробежных ускорений, около поверхности барабана частицы образуют плоские комки, располо­женные параллельно поверхности барабана. При остановке грануля­тора можно увидеть, что к внутренней поверхности барабана прили­пли плоские комки, состоящие из частиц мелкой фракции, представ­ляющие собой спрессованный порошок. При некотором усилии сдвига эти комки отходят от поверхности. Они недостаточно прочны из-за значительной пористости и разламываются на части при слабом изгибающем или разрывающем усилии. При дальнейшем гранулиро­вании комки окатываются и разламываются на части, которые при окатывании и соударениях с частицами мелкой фракции вбирают их в пустоты и углубления на своей поверхности. Постепенно поверх­ность частей комков становится плотной и округлой. Образуется плотная «скорлупа», которую можно увидеть при разломе такой гра­нулы. В течение 4 минут гранулирования образуются гранулы с рых­лой сердцевиной и плотной поверхностью (рис. 6.2-6.4).

В результате взаимодействий между гранулами, давления в мес­те контакта и скольжения происходят следующие процессы: выступы гранул под действием усилий сдвига отрываются от гранул, под дей­ствием сжимающих сил деформируются и вдавливаются в поверх­ность гранул, поверхности гранул под влиянием процессов скольже­ния выравниваются, становятся гладкими. Пустоты на поверхности гранул забиваются мелкими частицами порошка, уменьшаются из-за деформации соседних областей, под действием сжимающих сил и ударных нагрузок материал течет в сторону пустот, заполняя их. На­пряжения, возникающие в результате взаимодействий гранул, наибо­лее интенсивны около их поверхности и уменьшаются к центру гра­нулы, поэтому поверхность гранул уплотняется на глубину, где на­пряжения достаточны для такого уплотнения. Недостаточно прочные для того, чтобы остаться целыми при сжимающем или сдвигающем усилии, гранулы разрушаются, обломки разрушившихся гранул по­падают между целыми гранулами и вдавливаются в одну из них. Прочный поверхностный слой гранул увеличивается за счет того, что к нему прилипают обломки разрушившихся гранул и мелкие частицы порошка. При гранулировании наблюдается нагрев барабана и мате­риала до 40-50 °С. При интенсивных взаимодействиях гранулы на­греваются в месте контакта, что уменьшает предел текучести мате­риала гранул и способствует уплотнению поверхности.

После 4 минут гранулирования гранулы разламываются и обра­зуют обломки из плотных поверхностных слоев и рыхлой сердцеви­ны. Этот процесс происходит после того, как гранулы с плотной по­верхностью начинают взаимодействовать между собой и под дейст­вием давления раздавливаются, так как плотная поверхность не обеспечивает достаточной прочности целой гранулы. Рыхлые слои дают усадку, поверхность трескается, гранула разламывается на час­ти. Обломки служат центрами новых гранул и присоединяют к себе мелкие частицы, образовавшиеся из рыхлой сердцевины. Части рых­лой сердцевины, разрушаясь, переходят в плотные поверхностные слои вновь образующихся гранул. Наконец наступает момент, когда обломки рыхлой сердцевины и мелкий порошок композиции (менее 0,5 мм) заканчиваются, остаются лишь гранулы, плотные в полном объеме, или обломки плотных гранул. После 6 минут плотные грану­лы с диаметром 2-4 мм начинают при взаимодействии обмениваться материалом, слипаться и образовывать агломераты гранул.

Вследствие того, что максимальное давление имеет место в сло­ях материала, расположенных около поверхности барабана [34, 35], гранулы спрессовываются здесь в агломераты (рис. 6.5), пористость таких агломератов высока (рис. 6.6), а прочность мала. При ударных взаимодействиях с другими агломератами происходит их уплотнение или разрушение.

Крупные агломераты слипаются с одиночными гранулами (1-2 мм). Гранулы прикрепляются к агломерату, попадая в пустоты и углубления на его поверхности, под действием прижимающих сил, действующих со стороны других агломератов, гранул или поверхно­сти барабана. При дальнейших ударах по прилипшей к агломерату грануле она расплющивается, и все увеличивающаяся площадь кон­такта удерживает ее от отрыва. Под действием ударных нагрузок гранулы, составляющие агломерат, упаковываются плотнее и дефор­мируются, заполняя пустоты между собой. В результате окатывания агломератов, состоящих из мелких гранул, получаются большие гра­нулы диаметром более 6 мм.

Массопередача между гранулами происходит за счет сошлифов­ки материала с крупных, но менее прочных, гранул и наслаивания его на более прочные [27]. После 7-9 минут образуются большие гранулы - до 10-15 мм, которые вбирают в себя малые гранулы и обломки средних гранул (рис. 6.7-6.9).

Как видно на рис. 6.7, 6.10, поверхность большой гранулы ров­ная округлая. Большие гранулы увеличиваются в размерах за счет прикрепления к ним малых гранул. Малые гранулы прикрепляются к большой под действием сил адгезии, они выступают над поверхно­стью большой гранулы, далее с каждым ударом по малым гранулам со стороны других тел, участвующих в процессе окатывания, малые гранулы вдавливаются глубже в поверхность большой гранулы и расплющиваются, при этом имеют место пластические деформации в малых гранулах, а также в большой грануле в месте контакта с ма­лыми.

Сердцевина большой гранулы (см. рис. 6.8) состоит из гранул малого размера (1-2 мм), это говорит о том, что в процессе образова­ния большой гранулы первоначально сформировался агломерат из гранул малого размера (1-2 мм). Часть гранул агломерата под воз­действием усилий сдвига при взаимодействии с другими агломера­тами отделилась. Оставшаяся, не разрушившаяся часть агломерата стала увеличиваться, принимая небольшие гранулы, попавшие меж­ду рассматриваемым агломератом и другими телами. Прилипшие частицы расплющились (см. рис. 6.9) под воздействием сжимающих сил между большой гранулой (рис. 6.11, 6.12) и другими телами.

Таким образом, выявлена последовательность образования гра­нул из композиции, предварительно гранулированной в распыли­тельно-сушильной башне (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Последовательность образования гранул из композиции

Полученная последовательность гранулообразования позволяет подобрать оптимальное время гранулирования для получения гранул определенной структуры и гранулометрического состава.