ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АСР	—	автоматическая система регулирования
АСУ ТП	—	автоматизированная система управления технологическим процессом
АЦП	—	аналого-цифровой преобразователь
ВИАСМ	—	ОАО, Санкт-Петербург – предприятие, разрабатывающее и выпускающее автоматизированные поточно-транспортные системы и средства автоматизации для различных промышленных производств
ИМ	—	исполнительный механизм
ИУ	—	исполнительное устройство
МАП	—	малогабаритный аэрационный питатель
МПК	—	микропроцессорный контроллер
НИИХИММАШ	—	Научно исследовательский институт химического машиностроения, Санкт-Петербург
ПСМ	—	промышленность строительных материалов
РО	—	регулирующий орган
РТМ	—	руководящие технические материалы
САД	—	система автоматического дозирования
САУ	—	система автоматического управления
СМ	—	сыпучий материал
ТОУ	—	технологический объект управления
УПКП	—	управляемый пневмокамерный питатель
ЧИМ	—	частотно-импульсный модулятор
ШИМ	—	широтно-импульсный модулятор

ВВЕДЕНИЕ

Регламентированная подача сыпучих материалов (СМ) в технологические объекты управления (ТОУ) служит основным управляющим воздействием для большинства технологических процессов (ТП), связанных с переработкой твердых компонентов. Такие процессы характерны, прежде всего, для производства строительных материалов (ПСМ), металлургической, горнодобывающей и химической отраслей промышленности, а также для агропромышленного комплекса. Внутризаводское перемещение и подача СМ в технологические объекты осуществляется с помощью механических транспортеров и питателей, а также пневматического транспорта. Все эти системы либо представляют собой, либо отдельный технологический агрегат, требующий управления, либо включены в контур автоматического регулирования параметров ТОУ в качестве исполнительных устройств (ИУ). Обеспечение заданного расхода СМ представляет собой сложную техническую задачу, в первую очередь, в силу «не идеальности» и разнообразия физико-химических свойств последних. СМ свойственны переменный гранулометрический состав и гигроскопичность, перемещение их требует значительных затрат энергии и сопровождается выделением мелких фракций (пыли). В потоках СМ интенсивно изнашиваются подвижные элементы ИУ и другого оборудования, снижается надежность функционирования большинства технических средств. Мелкодисперсные СМ образуют в технологических емкостях своды, препятствующие разгрузке с одной стороны, а с другой – угрожающие разрушением. Изменение режима транспортирования приводит к неконтролируемым изменениям расхода, а в материалопроводах пневматического транспорта – к завалам.

Устройства и системы подачи СМ в ТОУ в той или иной степени выполняют функции ИУ САУ и АСР технологическими процессами. Однако по точности подачи, своим статическим и динамическим характеристикам эти устройства редко обеспечивают выполнение требований, предъявляемых к качеству управления технологическим объектом в целом. Более того, такие характеристики в большинстве случаев практически не определены. При разработке САУ и АСР средства транспортирования чаще всего рассматриваются как часть объекта управления. Вместе с тем, при соответствующих характеристиках, сами питатели и дозаторы для СМ могут эффективно выполнять функции устройств управления.

1 Основные характеристики сыпучих материалов

Вещества и материалы, которые принято относить к числу сыпучих, существенно различаются по физико-механическим характеристикам¹, определяющим, в первую очередь, возможные способы и технические средства для транспортирования и дозирования. К числу основных характеристик относятся

• гранулометрический состав;

• плотность частиц;

• насыпная плотность;

• угол естественного откоса и угол внутреннего трения;

• гигроскопичность и влажность;

• способность к уплотнению под действием внешних сил;

• склонность к когезии и адгезии;

• сдвиговые и распределительные характеристики;

• комбинированные характеристики.

Гранулометрический состав СМ определяется размером составляющих его частиц. Поскольку сыпучие материалы состоят, в основном, из частиц неправильной формы, гранулометрический состав определяют по величине условного диаметра частицы:

или

(1)

Здесь - три взаимно перпендикулярные линейные измерения, м.

Все СМ неоднородны по гранулометрическому составу (отношение составляет до 10³), в связи с чем, их принято [1] делить на группы:

• кусковые ( м);

• крупнозернистые ( м);

• мелкозернистые ( м)

• порошкообразные ( м);

• пылевидные ( м).

Для классификации материалов внутри групп эффективно применение методов математической статистки. При этом классы, на которые разделена ось абсцисс кривой нормального распределения условных диаметров, называют фракциями. Для конкретного материала принято рассматривать 9–15 фракций. Гранулометрический состав во многом определяет способность материала участвовать в физических превращениях и химических реакциях, т.к. чем меньше размер частиц, тем больше поверхность контакта фаз. Эта характеристика существенна как для промежуточных, так и для конечных продуктов. Например, в производстве цемента гранулометрический состав сырьевой смеси определяет режим процесса помола, а состав самого цемента – его товарную марку. В связи с этим, существенной (и до конца не решенной по сей день) проблемой является технологический контроль гранулометрического состава СМ. В промышленности наиболее широко применяется ситовой метод, при котором материал характеризуется остатком на сите с определенной величиной ячейки. При этом провόд материала через сита может осуществлять с помощью механической вибрации или потока сжатого воздуха. Институтом ВИАСМ для контроля гранулометрического состава цемента в заводских лабораториях разработаны и выпускаются малой серией пневматические рассеиватели РП-5 и РП-6. При лабораторном анализе применяют также классификацию заряженных частиц СМ в электрическом поле и в поле центробежных сил. Определять гранулометрический состав позволяют электрокондуктометрический (в основном, для порошков), фотометрический и седиментационный² методы. Особую сложность составляет контроль гранулометрического состава СМ непосредственно в производственном помещении, где в условиях запыленности и вибраций надежность оборудования, аналогичного лабораторному, значительно снижается. Для перечисленных выше лабораторных методов характерны большие затраты времени на проведение анализа. Необходимость получения информации о гранулометрическом составе исходных материалов и готовых продуктов непосредственно в потоке непрерывного технологического процесса привела к созданию ряда специальных промышленных приборов, например, автоматического пневматического поверхностемера для цемента [2], выпускаемого, в частности, фирмой «Братья Хаслер», ФРГ, или прибора УТПЦ, разработанного в ВИАСМ. Возможен также контроль гранулометрического состава зернистых материалов с достаточной плотностью частиц с помощью динамометрических (пьезометрических, тензометрических) и вибрационных преобразователей.

Плотность частиц , образующих массу СМ, традиционно определяется как масса единицы объема частицы.

Термин «насыпная плотность» применяется к достаточно большим количествам частиц и определяется формулой

(2)

где в числителе — масса совокупности частиц материала в кг, а в знаменателе — занимаемый ими объем, м³. Насыпная плотность зависит от изменения размера (диапазона размеров) частиц материала, его влажности, а также от того, подвергался ли материал механическим воздействиям, в частности, вибрации или сжатию. Вариации насыпной плотности приводят к значительным ошибкам при объемном дозировании СМ.

Угол естественного откоса j (град.) для свободно насыпанного на горизонтальную поверхность сухого материала составляет боковая сторона вертикального сечения с этой поверхностью. Для легкосыпучих материалов этот угол совпадает с углом внутреннего трения. Свойство СМ образовывать естественный откос используется, в частности, при конструировании лотков вибрационных питателей и выпускных каналов бункерных устройств, а также должно учитываться при определении ширины конвейерных лент.

Под гигроскопичностью подразумевают способность материалов впитывать и удерживать влагу, содержащуюся в окружающем воздухе. Удержание влаги может происходить за счет механической связи, адсорбции или реакции гидратации. Наличие влаги в объеме СМ (влажность) является одной из причин появления погрешностей при весовом дозировании, т.к. изменяет величину насыпной плотности.

Насыпная плотность материала изменяется вследствие воздействия сжимающей силы (компрессионное уплотнение) и вибрации. Коэффициент вибрационного уплотнения учитывает изменение насыпной плотности после приложения вибрации по сравнению с плотностью, которую материал имел до приложения вибрации:

(3)

В формуле (3) — плотность до приложения вибрационной силы; — плотность после приложения вибрационной силы; .

Частицы сыпучих веществ способны образовывать агломераты³, прилипая друг к другу (когезия), а также налипать на внешние поверхности, в т.ч. и металлические (адгезия). Причинами этого могут быть чисто механические (вдавливание в поры), физико-механические (капиллярные, молекулярные), электрические и другие явления. Когезия и адгезия препятствуют перемещению СМ, приводят к неполной разгрузке бункеров и силосов, снижают эффективность процессов измельчения.

К возможности транспортирования сыпучих веществ имеют непосредственное отношение также сдвиговые и распределительные характеристики, связанные с условиями возникновения и распределения в слое материала нормальных (s) и касательных (t) напряжений. Знание основных закономерностей, характеризующих напряженное состояние СМ, необходимо для определения момента начала движения материала при гравитационной разгрузке емкостей, для расчета параметров установившегося потока, геометрии бункеров и др. В частности, большое значение имеет величина коэффициента, характеризующего способность материала распределять напряжения внутри собственного объема. Коэффициент распределительной способности ν определяется экспериментально или через величину коэффициента бокового давления :.

(4)

При классификации сыпучих материалов применяют также комплексные показатели, которые определяются физическими зависимостями между отдельными характеристиками СМ. Согласно РТМ НИИХИММАШ [3], для материала, уплотненного определенной нормальной (вертикальной) нагрузкой, в качестве основного характерного параметра определена высота устойчивого откоса

,

(5)

где — начальное сопротивление материала горизонтальному сдвигу, Н/м²; — угол внутреннего трения материала, град.

Максимальная нормальная нагрузка, возникающая в слое материала под действием столба последнего, подчиняется закону, аналогичному закону гидростатики лишь до высоты столба, равной двум с половиной диаметрам емкости, в которую насыпан материал: .

,

(6)

где — коэффициент, зависящий от динамической нагрузки [3].

Иногда прибегают к оценке СМ по принадлежности только к одному из трех классов: идеально сыпучие, связные и связно-сыпучие. Несвязные (идеально сыпучие) материалы имеют и . Однако такая классификация является упрощенной, поскольку большинство материалов принадлежат к промежуточным классам и, в зависимости от внешних условий, проявляют те или иные свойства.

При свободном истечении сыпучего материала через отверстие в днище емкости, в нижней части последней существует зона ускоренного движения частиц, представляющая собой перевернутый конус, воображаемая вершина которого находится под отверстием, вне емкости (см. рисунок 7). Вертикальная ось конуса совпадает с осью разгрузочного отверстия. Внешний угол наклона образующей конуса к горизонтальной оси называется углом динамического откоса . Величина угла динамического откоса определяется углом внутреннего трения Φ и распределительной способностью материала. В расчетах расходных характеристик бункерных устройств используется величина угла :

,

(7)

где .

По известной величине угла внутреннего трения можно определить коэффициент бокового давления

,

(8)

и, следовательно, по формуле (4), коэффициент распределительной способности.

Для легкотекучих материалов угол динамического откоса в два раза и более превышает угол естественного откоса.

Графические зависимости, связывающие и ν приведены в Приложении В.

Для оценки внутреннего и внешнего трения (о стенки емкости) материала используют величины и , называемые, соответственно, коэффициентами внутреннего и внешнего трения.

Некоторые характеристики СМ, необходимые для расчета управляемых питателей и дозаторов, приведены в Приложении А.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

а) Какими параметрами характеризуется статическое состояние сыпучего материала?

б) Какими параметрами характеризуется динамическое состояние сыпучего материала?

в) Что такое фракционный и гранулометрический состав СМ?

г) Какими методами определяется гранулометрический состав СМ?

д) Как соотносится основная формула гидростатики с описанием состояния неподвижного сыпучего материала?

е) На какие характеристики СМ влияет их влажность?

ж) Почему для классификации СМ необходимо использовать комплексные показатели?