Футерувальні матеріали Tivar – мають унікальні властивості. Вони дозволяють забезпечити плинність сипких матеріалів для завдань, де через помилки проектування, зміни властивостей сипких матеріалів, погодних умов, виникають передумови для проблемного виходу сипких матеріалів з бункера, ускладнення їхнього руху в самопливах, воронках.
Приклади бункерів, у яких яскраво виражені проблеми текучості
У більшості випадків для розв’язання проблем текучості достатньо покрити стінки бункера футерувальними матеріалами Tivar, але іноді доводиться вносити зміни в конструкцію бункера і тільки після цього футерувати.
З іншого боку, у футерувального матеріалу Tivar також існують свої обмеження, які не дають змоги застосувати його для того чи іншого завдання, наприклад, температура сипкого матеріалу, високий рівень абразивного зносу або інтенсивний ударний вплив.
Маючи за плечима понад 30 річний досвід розв’язання проблем текучості сипких матеріалів, ми здатні ще на стадії проєктування оцінити можливість побороти проблеми текучості в бункерах.
Якщо Вам знайомі ситуації з бункерами (див. фотографії, наведені вище) і Ви бажаєте з ними впоратися, будемо раді Вам допомогти.
Вишліть нам опитувальний лист на пошту, зазначену в опитувальному листі, прикладіть до нього фотографії сипкого матеріалу і стану бункера, а також креслення бункера.
Бункери, де застосування анти-адгезивних футерувальних матеріалів Tivar вирішило проблеми текучості.
ТЕКУЧІСТЬ СИПКИХ МАТЕРІАЛІВ
Проектуючи новий накопичувальний бункер, силос або змінюючи їхню наявну конструкцію, для того щоб домогтися ефективної текучості, інженер повинен мати знання характеристик сипких матеріалів і розуміти теорію сипких матеріалів. Найімовірніше, завдяки великому досвіду застосування, інженер буде схильний вибрати як матеріал для бункера нержавіючу сталь 304-2В. Щоб розв’язати проблему з наявними бункерами буде запропоновано типове рішення у вигляді гучних, шумних пристроїв стимулювання текучості. Люди думають, що якщо вдаряти по стінках або струшувати, то матеріал буде тікти. Однак ці активні методи часто самі стають причинами проблем, які вони повинні вирішувати.
TIVAR 88 є альтернативою “побиття бункера”. Це футерувальний матеріал, який має кращі властивості сприянню текучості, ніж нержавіюча сталь 304-2В для великої кількості застосувань. У багатьох випадках переоснащення ми мали досвід установки TIVAR 88 поверх нержавіючої сталі 304-2В, оскільки нержавіюча сталь не забезпечувала необхідної ефективності. У нових конструкціях завдяки низькому поверхневому тертю інженери мають можливість проектувати лійки з низьким кутом нахилу стінок і при цьому досягати чудових характеристик текучості.
Незважаючи на те, що традиційні методи зручні, вони можуть бути неоптимальними з точки зору ефективності. Факт, що наразі існує багато нових випробуваних і перевірених методів розв’язання цієї задачі, без різниці, який із методів розглядають, важливим є те, що інженери проєктують із ретельною оцінкою характеристик сипучих матеріалів і знанням досконалих методів стимулювання текучості матеріалів. Для більшої ясності, сипучі матеріали будуть визначені як численні вологі та сухі частинки, ранжовані від дрібних порошкоподібних до кускових матеріалів, які обробляються в насипному вигляді. Ці матеріали зберігаються в резервуарах, які в більшості випадків позначені як бункери, силоси, ємності або елеватори. Вертикальна частина ємності називається циліндром, а звужувальна частина – лійкою, як показано на рис. 1.
ПРОБЛЕМИ, ПОВ’ЯЗАНІ З ТЕКУЧІСТЮ СИПУЧИХ МАТЕРІАЛІВ
1.) ВІДСУТНІСТЬ ПОТОКУ Міцний звід (міст) або стовбуроутворення над виходом завантажувальної лійки [2] представлено на мал. 2. Звід досить міцний, щоб витримати вагу матеріалу, що знаходиться зверху, і його треба зламати якимось чином, щоб викликати потік. Як правило, для цього використовують кувалди і повітряні гармати. Вібратори мають здатність зміцнювати склепіння, оскільки в більшості випадків вони стимулюють ущільнення. Стовбур формується, коли в центрі бункера утворюється циліндричний канал протоки, тоді як залишкові матеріали залишаються нерухомими вздовж стінок бункера. Це, як правило, виникає, коли стінки недостатньо круті та гладкі.
2.) МІНЛИВИЙ ПОТОК Змінне утворення і руйнування зводів і стовбурів (мал. 3) призводить до пульсуючого розвантаження. Це спричиняється ударами кувалди та вібрацією, які можуть пошкодити цілісність бункера, що, своєю чергою, призводить до руйнування конструкції та до потенційного травмування або смерті персоналу.
3.) ПРОМИВАННЯ І ЗРОШЕННЯ Дрібні порошки стають газованими і неконтрольовано вивітрюються з бункера, на зразок рідини, як показано на рис. 4. Це може статися під час руйнування стволів, тим самим, даючи можливість сухим речовинам висипатися під тиском у відкритий канал.
4.) ОБМЕЖЕНИЙ РІВЕНЬ РОЗВАНТАЖЕННЯ Потік із завантажувальної воронки не відповідає вимогам процесу.
5.) СЕГРЕГАЦІЯ Під час заповнення бункера тверді частинки мають тенденцію[3] до відокремлення, як показано на рис. 5. Дрібніші частинки переважатимуть у центрі бункера, а більші – будуть скочуватися і накопичуватися біля стінок бункера. Якщо під час розвантаження потік не проходить уздовж стінок бункера, то дрібніші частинки розвантажуються насамперед, а більші – в останню.
ПІДСУМКИ ПРОБЛЕМ ТЕКУЧОСТІ
Ці поширені проблеми текучості матимуть низку наслідків для кожного окремого процесу, що може призвести до втрат виробництва, пожежі, псування продукції, пошкоджень конструкції, травмування персоналу, а також марної трати часу і коштів. Скорочена місткість бункера, як показано на рис. 6, є наслідком формування стабільних воронок. Сипучі матеріали осідатимуть і тверднутимуть на стінках бункера, якщо їх не зчищати час від часу. Серйозність наслідків від наявності цих нерухомих або “мертвих” ділянок варіюватиметься залежно від використовуваних матеріалів. Наприклад, у харчовій промисловості сипучі матеріали псуватимуться, спричиняючи тим самим нашестя комах-паразитів. У вуглеобробних галузях чим довше вугілля застоюється в бункері, тим воно є більш сприйнятливим до самозаймання. Самозаймання потребує великої уваги в енергетичній промисловості, де величезні обсяги вугілля складуються в силосах і бункерах, що забезпечують котли. Багато енергетичних компаній занепокоєні проблемами пожежі, які в разі утворення пилу під час завантаження бункера в кінцевому підсумку можуть призвести до вибухів.
У великих силосах вібрації та удари під час розвантаження можуть призводити до втоми конструкції та руйнування[4]. Існують задокументовані випадки, коли цілі силосні зони були оголошені “вхід заборонено” для персоналу під час розвантаження через острах виникнення трагедії в разі руйнування конструкції. Результати сегрегації роблять якість контролю практично неможливою, сильно впливаючи на баланс матеріалу в галузях, де сталість потрібна від партії до партії.
ТИПИ МОДЕЛЕЙ ПОТОКУ
Існує три типи моделей потоку: лійковий потік, масова витрата і збільшений потік. Кожен з них має свої відмінні характеристики, які необхідно враховувати, щоб вживати заходів щодо ліквідації проблем, що виникають з потоками сипких матеріалів.
1) Воронковий потік
Ця структура ідеальна для вільнотекучих, не схильних до сегрегації і не рекомендована для зв’язкоутворювальних або схильних до сегрегації сипких матеріалів. Циліндричний канал потоку утворюється в центрі бункера над вихідним отвором, тоді як матеріал біля стінок залишається не рухомим, як показано на рис. 7. Щойно центральна частина йде, матеріал починає сходити вздовж стін, поки бункер не спорожніє. Цю модель потоку можна назвати як “перший увійшов, останній вийшов”. Якщо в цій структурі використовується зв’язувальний сипучий матеріал, то може сформуватися стовбур. Якщо стіни бункера не досить круті або мають шорстку поверхню, утворюється модель вороночного потоку. На сьогодні ця ситуація спостерігається з багатьма вугільними бункерами, особливо якщо вугілля має високий вміст вологи або дрібних частинок. Коли відсутній потік, уздовж стінок бункера утворюється застій. Якщо під час використання вугілля застійні ділянки залишаються протягом тривалого періоду часу, то може виникати небезпека втрати якості та самозаймання. Пірамідальна форма бункера, як показано на мал. 8, є типовою конструкцією, що стимулює вороночний потік. Стіни, як правило, нахилені так, щоб стримувати всю загальну висоту нижньої частини бункера, але більш важливим є те, що кути жолобів більш пологі, ніж у прилеглих стінках. Більшість погано текучих матеріалів будуть ущільнюватися або спікатися, а потім застоюватися в кутку жолоба. Використання TIVAR 88 у бункері з воронковим потоком забезпечить низьке поверхневе тертя, необхідне для стимулювання потоку вздовж стін після того, як звільниться центральна частина. На відміну від багатьох видів сталі, TIVAR 88 стійкий до корозії та запобігає появі нерівності поверхні стінок через неї. Отже, це покращує характеристики бункера з воронковим потоком, сприяючи повному очищенню.
2) Масова витрата
Це модель потоку “перший увійшов, перший вийшов”, у якій усі сипучі матеріали під час вивантаження перебувають у русі (рис. 9). При цьому усуваються утворення стовбурів, оскільки створюється потік уздовж стінок і зводиться до мінімуму сегрегація, оскільки сегрегований матеріал перемішується в бункері в міру його спустошення. Ця структура потоку ідеальна для зв’язкоутворювальних матеріалів і для матеріалів, які з часом псуються. Усуваються застоювані або “мертві зони”, тим самим мінімізуючи можливості спонтанних самозаймань. Приклад бункерів масової витрати показано на рис.10. Існує можливість досягнення масової витрати в бункері з воронкоподібним (“воронковим”) потоком при покритті стінок розвантажувальної воронки TIVAR 88. Низьке поверхневе тертя TIVAR 88 стимулює потік уздовж стінок доти, доки стінки мають кут нахилу, який буде достатнім для використовуваного сипкого матеріалу. Для визначення характеристик сипких матеріалів необхідно визначити, чи дозволять властивості текучості досягти масової витрати при покритті стінок завантажувальної воронки. Тестер зусилля зсуву Jenike[5] (ASTM D 6128-97) – пристрій, що найчастіше використовується для цих тестів.
Як показує досвід, використання TIVAR 88 як покриття в нових бункерах з масовим потоком, є економічно вигідним, оскільки стінки завантажувальної воронки можна спроектувати менш пологими, результатом чого є зменшення загальних виробничих витрат. Економічна вигода значно вища в тих галузях виробництва (гірничодобувна та енергетична промисловість), де використовуються великі за обсягом бункери. У разі модернізації наявного бункера, TIVAR 88 є цілком прийнятним варіантом порівняно з іншими типами покриттів через свою легку вагу і гнучкість. Він може бути легко встановлений без використання спеціального обладнання або кранів, щоб підняти матеріал у бункер.
3) Збільшений потік
Це комбінація масового і воронкового потоків. Верхня частина спроектована для воронкового потоку, а нижня – для масового, рис. 11.
КРИТЕРІЇ ПРОЕКТУВАННЯ
Багато бункерів і лійок сконструйовано на підставі кута природного укосу сипких матеріалів (мал. 12), доступного простору та/або потреб процесу, не враховуючи плинності сипких матеріалів. На жаль, це призвело до того, що в багатьох погано сконструйованих системах вони не забезпечують безперервної, стабільної текучості. Для того щоб визначити властивості сипких матеріалів для формування параметрів проектування, мають бути проведені тести з текучості з використанням справжніх зразків сипких матеріалів. Одним із перевірених методів є Тестер Зсуву Jenike (ASTM D 6128-97), що дає змогу фахівцям оцінити зусилля зсуву часток сипкого матеріалу, що ковзають проти самих себе (внутрішнє тертя), та сипкого матеріалу, що ковзає проти запропонованих матеріалів стінок, рис. 13. Це також є придатним засобом у разі визначення об’ємів склепіння-утворення і вирвоутворення, які ґрунтуються на зв’язувальній силі сипких матеріалів (рис. 13). У загальному розумінні, тестер складається з двох сталевих кілець приблизно 4 дюйми в діаметрі, які сконструйовані таким чином, щоб ковзати одне проти одного; плотера або записувального пристрою і штифта, що приймає зусилля зсуву. Кільця розташовані одне поверх іншого і заповнені сипким матеріалом, і відповідну масу розміщено поверх сипкого матеріалу для відповідності тиску, очікуваному в бункері.
Подібна процедура використовується для вимірювання сили, необхідної для зсуву змішаного матеріалу між різними матеріалами стінок, і знову-таки сила реєструється. Записана інформація використовується для розрахунку кута стінок, розмірів вихідного отвору тощо. Провідні світові консультанти здатні проводити тести на текучість для будь-якого сипкого матеріалу та можуть надати клієнтам низку проєкційних опцій, що включають геометрію бункера, рекомендації по розвантажувальному живильнику, матеріалам стінок, що стимулюють потік, та інші послуги. Звертайтеся до нас або дивіться вкладиш наприкінці цієї статті, щоб знайти найближчого до Вас консультанта.
На додаток до тестування текучості, слід брати до уваги три інші чинники, що впливають на характеристики текучості сипких матеріалів – вміст вологи, температура і час нерухомого зберігання. Вміст вологості змінює властивості сипких матеріалів, впливаючи на силу зв’язкоутворення і розміри зводоутворення. Це так само вплине на властивості тертя сипких матеріалів. Загалом, зі збільшенням вологості знижується текучість. У випадках насиченості вологою і коли сипкі матеріали деякий час не рухаються, вода стікає з матеріалу, приводячи його в стан мінімальної здатності до текучості.
Температурні чинники також впливають на властивості текучості, особливо замерзання та танення[6], які відбуваються за 0°С. При підвищенні температур існує тенденція до збільшення злипання, тож сипучі матеріали стають менш текучими. Час зберігання без руху призводить до того, що деякі сипучі матеріали укрупнюються або спресовуються. Деякі додають у вологості, а інші втрачають, оскільки волога мігрує вздовж стінок бункера. Міграція вологи вздовж стінок бункера може стати причиною злипання. Якщо час нерухомого зберігання подовжується, матеріали отримують достатньо сили для зводоутворення, які вимагатимуть уже деяких механічних методів для відновлення текучості. Навіть якщо потік буде відновлено у воронці, проблеми текучості на цьому не закінчаться. Дуже важливо, щоб стінки воронки були круто розташовані і мали низький коефіцієнт тертя. TIVAR® 88 має найнижче поверхневе тертя серед доступних матеріалів, що є причиною, чому TIVAR® 88 вибирають як матеріал стінок для багатьох завдань.
TIVAR ПОРІВНЯНО З ІНШИМИ МАТЕРІАЛАМИ СТІНОК
Ми маємо всеосяжну інформаційну базу щодо застосування TIVAR® 88 з різними матеріалами в порівнянні з іншими матеріалами стінок. Ця інформація накопичена за 40 років досвіду у розробці рішень з обробки сипких матеріалів. З цих даних ми маємо можливість використовувати деякі приклади результатів застосування. Важливо зазначити, що ці приклади не повинні застосовуватися для цілей проєктування. Ми рекомендуємо проводити тести властивостей текучості для кожного типу матеріалу для отримання даних для проєктування. У більшості випадків TIVAR® 88 перевершує нержавіючу сталь 304-2В, і це задокументовано на прикладі багатьох виробничих застосувань. Ситуації, які ми дуже часто бачили, це проблеми текучості в бункерах, які в зоні воронки були футеровані нержавіючою сталлю 304-2В[7]. Встановлення TIVAR® 88 поверх нержавіючої сталі було дуже ефективним рішенням цих проблем плинності.
Ключ до успіху TIVAR® 88 у стимуляції текучості сипких матеріалів уздовж стінок воронки та низьке поверхневе тертя. Однак важливо зазначити, що гладкість поверхні та низьке поверхневе тертя не зовсім однакові характеристики. Наприклад, коли тестувалося австралійське буре вугілля з 56% вмісту вологи, TIVAR® 88 показував дуже низький кут тертя об стінки, в той час як нержавіюча сталь 304-2В була абсолютно не підходящою, бо вона показала високе тертя, незважаючи на гладкість її поверхні (8). В качестве другого приме
Як інший приклад розглянемо суббітумінозне вугілля з 35,3 % вологості з басейну річки Паудер у Вайомінгу (Таблиця 1). Масова витрата суббітумінозного вугілля може бути досягнута в конічній футерованій TIVAR® 88 воронці з нахилом стінок у 61° і вихідним отвором з діаметром у 2 фути. Для нержавіючої сталі 304-2В для досягнення масової витрати в конічній лійці з вихідним отвором у 2 фути похилі стінки повинні мати кут 74°. Розглянемо це ж суббітумінозне вугілля, якому дозволили залишатися в бункері 65 годин. Зазначимо, що кути нахилу стінок були істотно збільшені.
Важливо, щоб проектанти розуміли, що для кожного сипучого матеріалу необхідно проводити тести характеристик текучості, використовуючи всі можливі сценарії, щоб дійти до потрібного типу критерію проектування. Неможливо використовувати загальні критерії, тому що всі сипучі матеріали поводяться по-різному. Наприклад, вугілля з вологість 33,4% поводитиметься інакше, ніж вугілля з вологістю 35,3%. За проектуванням бункера з більш пологими стінками, щоб скоротити висоту конструкції, стоїть серйозна економічна вигода. Рис. 14 показує відношення загальних висот двох різних бункерів, які мають місткість 440 тонн для обробки сипучого матеріалу з насипною вагою 50 фунтів/фут[8]. Одна воронка мала 45° воронку, а інша 70°.
ВИСНОВКИ
У багатьох випадках ТЕС, що працюють на вугіллі, мають досвід наявності проблем плинності в силосах вугілля, навіть коли в частині воронки мали конус у 70° і були футеровані нержавіючою сталлю 304-2В. Було безліч випадків, коли було потрібне нанесення ударів або сильна вібрація під час розвантаження, а також, виникало склепіння, тому що стінки воронки не мали достатнього нахилу або стінкове тертя було занадто високим.
Згідно з існуючою теорією, проблема пом’якшуватиметься сама собою, оскільки вугілля, що тече, полірує поверхню нержавіючої сталі. На жаль, це не завжди трапляється. Для досягнення рівного, безперервного потоку і усунення проблем з лійкою, поверх нержавіючої сталі було встановлено футерування TIVARe 88, що створює умови дуже низького поверхневого тертя, що дало змогу вугіллю рівно текти за кута стінок у 70°.
Ці проблеми обробки вугілля особливо проявляються при обробці суббітумінозного і бурого вугілля при поєднанні дрібних частинок і високого рівня вологи. Використання неповного покриття воронки силосу футеруванням TIVAR® 88 для підвищення якості масової витрати, може бути недостатнім для досягнення масової витрати у всьому силосі. Як зазначалося раніше, характеристики текучості вугілля різних шахт відрізняються. Коли всі критерії текучості сипкого матеріалу визначені, дуже часто необхідно повністю футерувати воронку TIVAR® 88 для отримання масової витрати. Тести текучості можуть проводитися із застосуванням Тестера зусилля зсуву Jenike (ASTM D 6128-97) для визначення текучості та дають змогу Вам оцінити ефективність футерування воронки для конкретного застосування.
Для довідки
1 дюйм = 2,54 см
1 фут = 30,48 см
1 фунт = 0,454 кг
