Получение гранулированных порошковых композиций в планетарном грануляторе

Гранулированные материалы обладают хорошей текучестью, не зависают в емкостях, не слеживаются, занимают меньший объем, в меньшей степени смерзаются, не пылят при перегрузке, легче дозируются [1,2].

Правильно выбранные для конкретных условий способы гранулирования в основном обеспечивают получение готового продукта с заданными качественными показателями (гранулометрический состав, прочность [3], сыпучесть и т. п.). В случае ужесточения требований к ним следует изыскивать приемы и методы совершенствования известных процессов гранулирования, создания новых более эффективных способов с целью достижения необходимого улучшения качества готового продукта [4].

Направления развития техники гранулирования непосредственно связаны с общими тенденциями совершенствования технологии того или иного продукта. Исходя из особенностей развития технологии конкретного производства, отдают предпочтение тем или иным методам гранулирования. Иными словами то, что может быть перспективным для гранулирования полимерных материалов, неприемлемо, например, для гранулирования минеральных удобрений и т. д.

Тем не менее, в настоящее время имеются общие принципы подхода к выбору наиболее целесообразных методов гранулирования в зависимости от агрегативного состояния и физических свойств исходных веществ.

Так, для гранулирования пластичных порошкообразных и пастообразных материалов более пригодны методы формования и экструдирования. Для непластичных несыпучих материалов могут быть рекомендованы методы гранулирования прессованием или окатыванием с одновременным пластифицированием смеси жидкостью [5]. При гранулировании из пульп, суспензий или растворов предпочтителен метод распыливания их на поверхность частиц скатывающегося, падающего, вращающегося или псевдосжиженного слоя [6] с одновременной сушкой продукта до требуемой влажности [4].

В общем случае процесс гранулирования включает следующее технологические стадии обработки:

— подготовка исходного сырья, дозирование, смешение компонентов;

— собственно гранулирование (агломерация, наслаивание, кристаллизация, уплотнение, достижение требуемого размера и др.);

— стабилизация структуры (упрочнение связей между частицами сушкой охлаждением, полимеризацией и др.);

— выделение товарной фракции (классификация по размерам, дробление крупных частиц).

В реальных процессах чаще всего эти стадии сочетаются во времени и (или) в пространстве в самых различных комбинациях. Им сопутствуют другие процессы, например химического превращения. Целесообразность этих сочетаний обусловлена требованиями конкретной технологии.

Метод окатывания реализуется при гранулировании в барабанных и тарельчатых грануляторах. В планетарном грануляторе, в отличие от барабанного, ось вращения барабана не стационарна, а движется по круговой траектории. Исследование процессов гранулирования в грануляторе планетарного типа примечательно тем, что сила давления между частицами на порядок выше благодаря дополнительной центробежной силе и силе Кориолиса, процесс гранулирования поэтому более эффективен. В планетарном грануляторе давление на материал при высоких скоростях соударения частиц материала может быть в 100-^200 раз выше, чем в барабанном грануляторе со стационарной осью.

Повышенные скорость соударения частиц и давление в местах контакта влияют на процесс образования гранул положительно и позволяют получать гранулы с лучшими физико-механическими характеристиками, чем при гранулировании в грануляторе со стационарной осью. Не смотря на большую эффективность гранулирования в планетарном грануляторе, его используют не так широко, как барабанные грануляторы. Это связано с тем, что отличительные особенности гранулирования в планетарном грануляторе по сравнению с барабанным не достаточно изучены, методика нахождения оптимальных параметров гранулятора и процесса гранулирования отсутствует. Подбор оптимальных режимов гранулирования в планетарном грануляторе осложнен тем, что необходимо искать оптимальную частоту, как планетарного вращения, так и относительного вращения барабана.

В литературе отсутствует информация о характере движения материала в грануляторе на уровне частиц. Не сформулированы условия образования адгезионных связей между частицами различных классов материалов, отсутствуют кинетические зависимости процесса гранулообразования от планетарной и относительной скоростей вращения. Таким образом, проблема исследования работы планетарного гранулятора является актуальной. Решить эту проблему позволит разработка конструкции и изготовление опытного образца планетарного гранулятора с возможностью независимого регулирования планетарного и относительного вращения барабанов, а также использование методов математического моделирования для описания процесса гранулирования.

Цель работы: Изучение процессов и определение оптимальных условий гранулообразования порошковых композиционных материалов в планетарном грануляторе.

Задачи:

1. Разработать конструкцию планетарного гранулятора с возможностью независимого регулирования планетарного и относительного вращения барабанов и изготовить его.

2. Построить математическую модель гранулирования порошковых материалов в планетарном грануляторе.

3. Провести исследования процессов гранулирования композиционных порошков в планетарном грануляторе, установить последовательность образования гранул и закономерности формирования их структуры, зависимость кинетики гранулирования от планетарной и относительной скорости вращения.

Научная новизна:

Впервые построена математическая модель гранулирования композиционных порошковых материалов, основанная на исследовании кинетических параметров порошковых частиц в планетарном грануляторе. Установлены механизм гранулообразования порошковых, материалов и закономерности формирования структуры и свойств гранул. Определены оптимальные технологические параметры, обеспечивающие получение' гранулированных композиционных материалов с заданными физико-механическими свойствами.

Практическая значимость:

Разработана конструкция планетарного гранулятора. Исследованы процессы гранулообразования и определены режимы гранулирования порошков на основе оксидных композиционных систем, при которых полученные гранулированные материалы удовлетворяют требованиям по гранулометрическому составу, прочности, растворимости, сыпучести, слеживаемости. Получены композиционные гранулы, используемые в военно-морском флоте России, что подтверждается актом испытаний, проведенных Центральным научно-исследовательским институтом Министерства обороны Российской Федерации.

Достоверность результатов и выводов подтверждается применением стандартных методик экспериментальных исследований, воспроизводимостью результатов исследований, применением статистической обработки экспериментальных данных.

Личный вклад автора:

Автор участвовал в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, интерпретации и обобщении полученных результатов. Автором разработан и введен в эксплуатацию планетарный гранулятор, разработана и реализована в компьютерной программе математическая модель гранулирования в планетарном грануляторе, получены гранулы композиционных материалов и исследованы закономерности их структурообразования и свойств.

Положения, выносимые на защиту:

— разработанная конструкция планетарного гранулятора с возможностью независимого регулирования планетарного и относительного вращения барабановрезультаты математического моделирования процесса гранулообразования порошкового материала в разработанном грануляторе;

— последовательность образования гранул, особенности их структуры, кинетические зависимости процесса гранулообразования от, планетарной и относительной скорости вращения;

— условия образования адгезионных связей между частицами порошка без присутствия связующей жидкости;

— рекомендации по оптимизации технологических параметров процесса гранулирования.

Апробация работы:

Результаты работ были представлены на следующих конференциях: Десятая и одиннадцатая Всероссийская школа конференция молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (г. Пермь, 2001, 2002) — Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2002» (г. Пермь, 2002) — двенадцатая межвузовская научная конференция «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002) — тринадцатая Всероссийская Зимняя школа-конференция по механике сплошных сред (г. Пермь, 2003) — XXX, XXXI, XXXII Международная летняя школа-конференция «Advanced Problems in Mechanics» (г. Санкт-Петербург, 2002, 2003, 2004) — международная научно-техническая конференция «Новые порошковые и композиционные материалы, технологии, свойства» (г. Пермь, 2006).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 статьи в центральной печати (1 статья в журнале из перечня ВАК), 2 патента, одна монография.

Объем работы:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Общий объем диссертации 170 страниц, включая 90 рисунков, 6 таблиц и 1 приложение.

Список литературы

содержит 75 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Выводы:

1) Разработана конструкция планетарного гранулятора с возможностью независимого регулирования планетарного и относительного вращения барабанов. Изготовлен планетарный гранулятор для проведения исслдеований.

2) Построена математическая модель процесса гранулирования порошковых материалов в планетарном грануляторе.

3) Установлено, что масса материала при гранулировании располагается.

•ч компактно в виде сегмента, прилегая к поверхности барабана. Центр массы материала находится в части барабана, наиболее удаленной от центра планетарного вращения, со смещением в сторону вращения барабана. Слои материала, касающийся поверхности барабана и образующий свободную поверхность, двигаются в противоположном направлении. В среднем слое движение частиц является вихреобразным с перемещением частиц сверху вниз и обратно.

4) Выявлено влияние угла внутреннего трения материала Д и угла трения между поверхностью барабана и частицами материала Д на процесс гранулирования. Установлено, что с увеличением Д и Д интенсивность процесса гранулирования возрастает. Критерием эффективности гранулирования в барабане с гладкими стенками является условие Д > Д.

5) Установлено, что эффективность гранулирования достигается при одновременном превышении своих предельных минимальных значений относительной и планетарной скоростей вращения барабанов.

6) Показано, что гранулометрический состав материала зависит от времени гранулирования и скоростей вращения гранулятора.

7) Установлен механизм и последовательность образования гранул. Показано, что образование и разрушение адгезионных связей в основном происходит в наиболее удаленной от центра планетарного вращения части сегмента материала. Большая часть разрушений адгезионных связей происходит при сдвиге под действием сжимающих усилий между частицами.

8) Показано, что образование адгезионных связей между частицами зависит от давления в объеме сыпучего материала при гранулировании.

9) Получена аналитическая зависимость давления внутри материала от крутящего момента барабана, размеров планетарного гранулятора. Показано, что крутящий момент барабана возрастает незначительно при увеличении относительной скорости вращения барабана, при увеличении планетарной скорости вращения крутящий момент увеличивается во второй степени.

10) Показано, что результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований имеют качественное соответствие, следовательно, моделирование методом дискретных элементов в двух измерениях может использоваться для изучения процесса гранулирования в планетарном грануляторе.

Заключение

.

В ходе выполнения диссертационной работы получены результаты математического моделирования процесса гранулообразования композиционных порошковых материалов в разработанном грануляторерезультаты экспериментальных исследований, определяющие влияние параметров процесса гранулирования на структуру и свойства порошковых композицийпредложены рекомендации по оптимизации режимов гранулирования различных материалов.