Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. Анализ основных методов определенш степени дисперсности порошковых материалов 7
1.1. Статистические параметры дисперсных систем. Методы определения и классификация 7
1.2. Анализ методов определения удельной поверхности порошковых материалов 16
1.3. Электродинамические методы определения удельной поверхности и среднего размера по рошковых материалов 38
ГЛАВА II. Теоретическое обоснование метода определения интегральных параметров дисперсности проводящих порошков 49
2.1. Анализ возможности определения интегральных характеристик дисперсности порошков на основе регистрации электрических параметров процесса его электродинамического псевдо ожижения 49
2.2. Теоретический.анализ колебательного движения частиц в однородном электрическом поле . 58
2.3. Влияние концентрации заряженных частиц на величину их заряда и распределение напряженности электрического поля в плоском конденсаторе 73
2.4. Теоретический анализ влияния вида функции распределения частиц на результаты измерения среднего размера порошковых материалов. 85
ГЛАВА III. Экспериментальное исследование безвесового метода определений среднего размера порошков проводящих материалов 97
3.1. Экспериментальное исследование контактного заряжения совокупности частиц проводящего материала 97
3.2. Выбор конструкции измерительной ячейки. Экспериментальное исследование процесса колебательного движения заряженных частиц 102
3.3. Определение коэффициента восстановления импульса при ударе частицы об электрод. 119
ГЛАВА IV. Разработка и исследование прибора для определения интегральных параметров.дисперсности порошкового материала 132
4.1. Описание конструкции и схема прибора.132
4.2. Методика измерения среднего размера частиц. Градуировка прибора и корректировка результатов измерения 141
4.3. Экспериментальная проверка прибора и определение его технико-эксплуатационных характеристик 162
Основные выводы 172
Литература 174
Приложения 188
- Анализ методов определения удельной поверхности порошковых материалов
- Теоретический.анализ колебательного движения частиц в однородном электрическом поле
- Выбор конструкции измерительной ячейки. Экспериментальное исследование процесса колебательного движения заряженных частиц
- Методика измерения среднего размера частиц. Градуировка прибора и корректировка результатов измерения
Введение к работе
В последние годы все большее развитие получает порошковая металлургия, как самостоятельная отрасль промышленности, характеризующаяся высокоэкономичными и малоотходными технологическими процессами производства материалов с широким спектром свойств.
При помощи порошковой технологии удается получать разнообразные композиционные материалы - тугоплавкие соединения WC, W-Cw, W-Cu-Ni , материалы с пористой или капилярной структурой, нашедшие широкое применение для производства само-смазывающихся подшипников, диафрагм, фильтров и т.п.
Основным сырьем в порошковой технологии являются различные порошковые материалы, свойства которых в значительной степени определяют качество готовых изделий.
Некоторые из этих свойств, например, насыпная плотность, гранулометрический состав, удельная поверхность, рассматриваются, как наиболее ответственные за качество готового продукта и внесены в государственные стандарты. Вследствие этого, на всех стадиях получения и использования порошкового материала необходим контроль за его дисперсным составом.
По мнению ведущих специалистов в области дисперсионного анализа /5, 9, 41, 115/, в настоящее время не существует ни одного универсального метода контроля параметров дисперсности, который можно было бы.применить для анализа всех существующих порошковых материалов.
Необходимость совершенствования техники дисперсионного анализа требует поиска и разработки новых методов и приборов
для оперативного контроля параметров дисперсности порошкового продукта. Поэтому на кафедре электротехники и, электроники ЛТИ им.Ленсовета, в соответствии с проблемой 0,16.08 Координационного плана Госкомитета по науке и технике при Совете Министров СССР и комплексной программой Минвуза РССР ("Порошковая металлургия", проблема 02,- тема 17), проводятся исследования электродинамического принципа псевдоожижения проводящих порошковых материалов и разрабатываются методы и приборы контроля их дисперсного состава. В ходе исследования метода измерения удельной поверхности (среднего размера) частиц проводящих материалов на основе регистрации электрических параметров процесса их электродинамического псевдоожижения и практической реализации этого метода были получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:
доказана возможность измерения удельной поверхности (среднего размера) проводящих материалов, на основе регистрации двух электрических параметров процесса их электродинамического псевдоожижения - конвекционного тока и суммарного за-заряда;
разработаны и внедрены два прибора для измерения интегральных параметров дисперсности, реализующих предложенный метод-, определены их технические характеристики;
разработаны методы инженерного расчета и оптимизации параметров электродинамических преобразователей, получено общее решение уравнения колебательного движения частиц -с учетом основных силовых факторов, для проверки приближенных методов расчета устройств;
исследовано влияние концентрации частиц с учетом их веса на распределение напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве и величину заряда отдельных частиц;
проведена оценка соотношения измеряемого среднего размера /"г со средним объемно-поверхностным размером /"З.г і
разработана и обоснована методика корректировки результатов измерения удельной поверхности и среднего размера на приборах с нелинейной градуировойной кривой.
Анализ методов определения удельной поверхности порошковых материалов
Все вышеперечисленные характеристики дисперсных систем находят широкое применение в дисперсионном анализе. Необходимость измерения того или иного показателя дисперсности и выбор метода контроля.этого параметра определяется не только диапазоном размеров, но и свойствами дисперсной системы,особенностями ее получения и областью применения /27 с.13, 5 с.17/.
На практике нет необходимости в определении всех характеристик дисперсной системы, вполне достаточно знание одного-двух параметров дисперсности порошкового материала. Чаще всего таким параметром является величина удельной поверхности. "Одним из главных диагностических показателей, характеризующих дисперсность и активность металлических порошков; является величина удельной поверхности" /30 с.60/. Это утверждение можно отнести ко всем порошковым материалам, учитывая, что все физико-химические процессы, сопутствующие.формированию порошковых тел, каталитическим реакциям и т.п., происходят на поверхности отдельных частиц и, следовательно, зависят от их совокупной поверхности. Доказано, что прочность цементов в первые сроки их твердения тем больше, чем больше их. удельная поверхность /ЗІ/. В ряде технологических процессов удельная поверхность перерабатываемых измельченных материалов опреде- . ляет расход используемых .реагентов, например, смачивающих жидкостей или флотационных добавок /5/. Величина удельной поверхности оказывает большое влияние на теплопроводность измельченных веществ, их звуконепроницаемость и растворимость , определяет взаимодействие порошковых материалов с внешней средой при различных химических реакциях и хемосорбционных процессах.
"Поэтому во всех случаях, когда основные технические свойства порошкообразного материала зависят от поверхности его частиц, основным критерием степени, измельчения должна быть величина удельной поверхности" /32/.
В настоящее время, измерение, удельной поверхности помимо того, что служит инструментом научных исследований, все более используется как средство производственного, контроля. Поэтому дальнейшее рассмотрение будем проводить именно.для этой характеристики дисперсности порошкового продукта.
Для анализа точностных характеристик, и области применения существующих принципов, контроля дисперсного состава необходимо их определенная классификация..Попытка такой систематизации проводились рядом авторов /5,7,33,34,35/. Так в работе /7/ все методы были сгруппированны в соответствии с физическими принципами, на которых они основаны. Дальнейшее развитие техники измерения и появление целого ряда новых методов, вызвало необходимость выбора новых принципов классификации как всего комплекса методов дисперсионного анализа в целом, так и отдельных его разделов, поэтому, в работе. /33/ все методы были разделены на прямые и косвенные, с последующей их классификацией по.физическим принципам. Сложность систематизации методов дисперсионного анализа заключается еще ив том, что помимо физического принципа, положенного в .основу.того или иного метода,выбор способа измерения необходимо производить с учетом конкретных физико-химических свойств, условий, получения и использования порошков. (33. .с.24). Следовательно, полная классификация методов контроля дисперсного состава должна включать в себя, не только характеристики самого физического принципа измерения,но и параметры объекта измерения, особенности их влияния на результат измерения и т.д. Попытка учесть влияние формы частиц на результаты измерения была предпринята в работе /34 с.Ю/ при классификации методов измерения удельной поверхности, где все методы были разделены на два класса - "слабомодельные" и "сильномодельные" в зависимости от степени влияния формы частиц на результаты измерения. Наиболее полная, на наш взгляд, классификация приведена в работе /35/, которая была построена с использованием общей схемы классификации, приведенной в /5/, поэтому систематизацию методов определения.удельной поверхности приведем воспользовавшись этой классификацией. Методы определения удельной поверхности
Необходимо отметить, что в практике дисперсионного анализа существуют два понятия удельной поверхности - полная удельная поверхность Ъу.п и внешняя удельная поверхность
Возникновение этих двух понятий было обусловлено, по всей видимости, принципиальным различием физических методов определения удельной поверхности.
Слабомодельные адсорбционные методы и методы основанные на измерении теплоты смачивания позволяют измерять полную поверхность частиц с учетом шероховатостей ее поверхности, наличием микротрещин и тупиковых пор, которые больше размеров адсорбирующихся молекул газа или жидкости.
Теоретический.анализ колебательного движения частиц в однородном электрическом поле
Таким образом, в результате анализа процесса колебательного движения частиц порошка в однородном электрическом поле, было установлено, что величина конвекционного тока, создаваемого колеблющимися.частицами, может быть использована в качестве информативного параметра при., контроле степени дисперсности порошкового материала.. Причем, если размер частиц пробы меньше критического, величина конвекционного тока пропорцио-. нальна массе частиц. В этом случае по отношению величины конвекционного тока, создаваемого некоторой совокупностью частиц к величине их суммарного заряда можно непосредственно определить средний объемно-поверхностный размер Г3 г (а следовательно и удельную поверхность порошка Ом)»
Для крупнодисперсного порошка (Г Гкр) квадрат отношения суммарного заряда,к величине тока дает возможность определить средний размер частиц Pz , который так же как Г3.2 и любой другой средний размер, является интегральным параметром дисперсности и непосредственно характеризует степень измельчения порошкового продукта /119/.
Основываясь на проведенном анализе возможности замены измерения массы анализируемой пробы порошка на регистрацию величины конвекционного тока, создаваемого ансамблем колеблющихся частиц данной пробы, можно сформулировать круг вопросов, которые требуют дальнейших исследований. 1. Учитывая, что одним из основных параметров определяющих величину конвекционного тока является скорость движения частицы, необходимо разработать методы аналитического расчета средней скорости движения с учетом веса частицы и получить критерии оценки погрешности отих методов и области их рационального использования. 2. Так как приведенный анализ, проводился без учета взаимодействия частиц между собой, необходимо рассмотреть вопрос о влиянии ансамбля частиц на параметры их колебательного движения. 3. Принимая во внимание, что в процессе теоретического обоснования метода измерения среднего размера показано, что для области Г«Гкр определяется средний объемно-поверхностный размер Г3 2, а для области Г Гкр некий средний размер необходимо определить влияние вида функции распределения частиц на результаты измерения.
Как было показано в предыдущем параграфе, для использования конвекционного тока в качестве измеряемого параметра,прежде всего необходимо определить область применения и погрешность известных приближенных, выражений для расчета, средней скорости движения частицы. Следует отметить, что формулы (2.3), (2.4) и (2.5) были получены с учетом целого,ряда допущений. Так при выводе формулы (2.4) предполагалось, что частица ы вязкой, среде движется с установившейся скоростью Vm ,.а формула. (2.5) справедлива при движении частиц в вакууме. При выводе формулы -(2.3) и ее проверке не учитывалось влияние гравитационной силы, что в достаточной мере оправдано, лишь для частиц микронного ...и субмикронного диапазона размеров.. Для крупнодисперсных порошков (с размером зерна от 50 кмк и.выше) вес частиц может оказывать существенное, влияние, на параметры, колебательного, процесса /116/. Поэтому основная задача данного раздела исследований заключалась в.анализе методов аналитического расчета средней скорости движения частицы с.учетом гравитационной силы и раз-, работке критериев оценки погрешности этих методов.и области их рационального использования. Подобный анализ может быть осуществлен на основании строгого решения уравнения движения частицы, учитывающего все основные силовые факторы, определяющие ее поведение в двухэлектродной системе.
Анализ, сил, действующих на одиночную, сферическую частицу радиуса Г в однородном электрическом поле с напряженностью Е (рис.2.2) показывает /114/, что характер движения частиц определяется следующими силовыми факторами: силой электрического Силы/ действующие на колеблющуюся частицу в однородном электрическом поле системы двух плоскопараллельных электродов поля r =Qb , гравитационной силой Q=m9» и силой сопротивления движению частицы в вязкой среде Коэффициент сопротивления Сх в формуле (2.15) определяется числом Рейнольдса Кб и может быть найден на основании стандартной кривой Lx=j(Ke/ /120,121/. Среди известных апроксимаций этой зависимости наиболее удобной с точки зрения использования в дифференциальных уравнениях движения является аппроксимация типа формулы Осеена /114,122/.
Выбор конструкции измерительной ячейки. Экспериментальное исследование процесса колебательного движения заряженных частиц
Кроме того, как показывает анализ графика средней скорости колебательного движения частиц (рис.2.1), изменение коэффициента восстановления импульса приводит к изменению значения Гкр и тем самым к изменению границы областей размеров, для которых получены рассчетные соотношения, приведенные в 2.1. Поэтому необходимо определить значения коэффициента восстановления импульса и диапазон его изменения.
Как показывает анализ литературных данных /128,129,130, 131/ коэффициент восстановления-импульса зависит от многих факторов и прежде всего.от упругих свойств материалов соуда-ряемых тел, а также их геометрии и размеров Для интересующего нас случая удара сферической частицы о плоскую твердую поверхность экспериментальные данные немногочисленны и.в основном приведены для шаров, непроводящих материалов с размерами от 0,5 мм и более /129/. Методы определения коэффициента восстановления импульса, судя по литературным источникам /128, 130/, не отличаются разнообразием.
Так в работе /128/ предложен метод определения искомой величины по частоте электрического сигнала, возникающего в процессе колебательного движения сферической одиночной частицы в системе 2-х электродов. Размер частицы, при котором еще возможна регистрация электрического сигнала, возникающего, при ее движении, должен быть больше 1" 200. 300 мкм. Для меньших размеров частиц используется метод, приведенный в работе /130/ основанный на определении коэффициента восстановления импульса по величине отскока частиц от стальной шлифованной плиты.. Значения коэффициента восстановления импульса определялись путем анализа траектории двшкения частицы до и после удаpa по фотографиям полученным стробоскопическим методом. Данные анализа статистически обрабатывались. Измерения проводились для частиц с радиусом от 20 до 500 мкм в основном для непроводящих материалов. Результаты анализа данных этой работы показывают, что значение коэффициента восстановления импульса при ударе частиц о плоскую поверхность не зависит от скорости подлета частицы к поверхности, которая изменялась до 30 м/сек. Значения К для всего диапазона размеров исследованных частиц получены в пределах от 0,65 до 0,85. Снижение значения К для частиц с Г ЮО мкм авторы работы /130/ объясняют наличием шероховатостей, на поверхности удара, соизмеримыми с размерами анализируемых частиц.
Приведенные в работах /128, 129, 130/ значения коэффициента восстановления импульса не могут быть использованы для . случая колебательного движения заряженных частиц в электрическом поле двух плоскопараллельных электродов. Эти значения . . определены.в основном для неметаллических частиц, а в электродинамическом методе.используются преимущественно металлические порошки; кроме того, данные приведены для случая удара частицы о стальную плиту с толщиной 2-3 см, в электродинамическом инжекторе применяемые электроды представляют собой пластинки толщиной .2-3 мм из латуни,. аллюминия,, стали или стеклотекстолита, чаще всего покрытые слоем хрома. ....... . .
Кроме того, все литературные данные.приведены, в основном, для узкого диапазона размеров шаров, причем с размерами Р 500 мкм, за исключением данных работы /130/, но там исследовались шары из стекла и полистирола. В электродинамическом методе диапазон используемых размеров частиц от единиц микрон и выше.
Следовательно, необходимо определить значения коэффициента восстановления импульса при ударе частицы об электрод в процессе ее колебательного движения в плоскопараллельной двух-электродной системе для частиц различных металлов в широком диапазоне их размеров, выяснить зависимость коэффициента восстановления импульса от материала электродов, скорости движения частиц и научиться учитывать или. уменьшать влияние К на результаты измерения среднего размера частиц. Решению этой задачи и посвящен данный параграф работы»
Как уже отмечалось, методы измерения коэффициента восста новления импульса немногочисленны. Измерение К одиночной час тицы не представляется возможным, так при измерении К по им пульсам перезаряжения, как предложено в работе /128/, для ис пользуемого нами диапазона размеров частиц Г 200-7300 мкм, не получить достаточную величину электрического сигнала на уровне помех и как показывают данные работы /132/ погрешность опреде ления по этому методу более 20%, Использование метода приве денного в работе /130/ не применимо, по соображениям изложен ным выше. Поэтому определение коэффициента восстановления им пульса проводилось косвенным методом по экспериментальным значениям удельного тока I/M. Для узкодисперсных порошков из мерялось значение конвекционного тока I создаваемого совокуп ностью частиц массой М и на основании теоремы Шокли рассчиты валось значение средней скорости колебательного движения этих частиц
Методика измерения среднего размера частиц. Градуировка прибора и корректировка результатов измерения
Так например,1 при измерении удельной поверхности методами БЭТ или по теплоте смачивания определяется полная удельная поверхность, в то время как методы газопроницаемости и электродинамические измеряют некоторую сглаженную (внешнюю) удельную поверхность. Аналогичные расхождения можно наблюдать и при определении спектра размеров частиц, например, кондуктометри-ческим и седиментационным методами. В каждом из них измеряются некоторые эквивалентные размеры, которые могут существенно отличаться друг от друга. Учитывая эти. специфические трудности данной области измерения, для решения поставленной задачи, на наш взгляд, наиболее простым является второй путь - градуировка прибора по образцовым порошкам. В качестве образцовых материалов целесообразно применять наборы узкодисперсных сферических порошков. Требования к сферической форме калибровочных порошков диктуются следующими соображениями: во-первых, только для частиц сферической.формы понятие размер частицы становится однозначным. Во-вторых, для этих частиц упрощается проведение микроскопического анализа, на основании которого можно определить такие параметры порошка как Г, , б, Ktf и т.д., что позволяет аттестовывать порошки микроскопическим методом, наиболее надежным и достоверным при измерении частиц сферической формы. В-третьих, для большинства физических принципов определения дисперсности порошков, при разработке теории методов в качестве модели использовались сферическая частица или набор сферических частице Необходимость использования в качестве образцовых узкодисперсные порошки объясняется во-первых, тем, что для этих порошков требуется микроскопирование меньшего числа частиц для определения их параметров с заданной точностью, и во-вторых, их использование позволяет построить градуировочную кривую средства измерения.
Как было показано выше (глава П), отличие рассмотренных средних размеров ( Г, , Г5г\ Гг ) растет по мере увеличения ширины функции распределения. Очевидно, что реальные калибровочные материалы будут.обладать ненулевой дисперсией. Один из возможных подходов к проблеме классификации калибровочных порошков можно найти в работе /35/, в которой было проведено разделение образцовых сферических порошков на три группы - широкодисперсные,, узкодисперсные и монодисперсные - в зависимости от ширины их функции распределения. К широкодисперсным были отнесены порошки с коэффициентом вариации К 0,3 при допустимой погрешности перехода от Р, к Г32 в 2%, поскольку, для расчета их удельной поверхности необходимо знать явный вид функции распределения. К узкодисперсным были отнесены порошки с ОД Hg 0,3, так как при любом виде функции распределения для расчета Р3.г таких порошков достаточно лишь двух ее параметров среднего размера Р, и стандартного отклонения б . Порошки с Кб 0Д были отнесены к квазимонодисперсным, поскольку с указанной погрешностью можно вообще не учитывать не только вид, но и ширину функции распределения.
Следует отметить, что в настоящее время еще не созданы библиотеки стандартных градуировочных порошков с нормированными характеристиками, хотя различные зарубежные фирмы, занимающиеся разработкой приборов для дисперсного анализа; широко используют как естественные (пыльца растений, споры грибов); так и искусственно полученные узкодисперсные порошки с различным средним размером и физико-химическими свойствами /135,136, 137/. В работе /135/ отмечается, что "... длительное время существовала необходимость получения и стандартизации сферических материалов в широком диапазоне размеров для точной калибровки различных приборов".
До недавнего времени иностранными фирмами для получения . узкодисперсных порошковых материалов использовались два метода: ситовый и седиментационный. При ситовом методе достаточно узкие порошки можно получить, собирая сферические частицы, застрявшие в отверстиях сит /136/, однако этот метод трудоемок и малопроизводителен. Применение воздушного рассеивания с последующей седиментацией позволяет получать наиболее узкие фракции порошков, но присущие этим методам недостатки - трудоемкость и длительность процесса разделения /5 с.100;Х37/ не позволили найти этому методу широкое применение. В последнее время на кафедре электротехники и электроники ЛТИ им.Ленсовета был разработан и внедрен метод электрогравитационного разделения порошковых материалов. С помощью этого метода достаточно экспрес-сно удается получать узкодисперсные металлические порошки с Ktf менее 0,1. Данный метод получения узкодисперсных порошков с формой частиц близкой к сферической и был использован для получения необходимого набора калибровочных материалов. Для определения статистических параметров этих порошков использовалась методика, разработанная в работе /35/.
Следует отметить, что построение градуировочнои кривой позволяет решить задачу корректировки показаний прибора, если его методическая погрешность не зависит от размера частиц. В более общем случае может возникать дополнительная погрешность измерения, обусловленная полидисперсностью анализируемого порошка. Это связано с тем, что порошки с одинаковым средним размером могут существенно различаться по виду функции распределения числа частиц по размерам. Следовательно, для исключения методической погрешности прибора, имеющего нелинейную градуировочнуга кривую, необходимо проводить корректировку для каждой составляющей спектра размеров в отдельности, что требует информации о виде функции распределения. Учитывая, . что при измерении интегральных параметров,, вид функции, как правило, не известен, необходимо найти метод корректировки справедливый для произвольной j(r). .
