Расчет коэффициента активности

Рассмотрим подробнее метод количественной оценки активности материалов. Согласно классическим теориям общую активность материала можно представить, как комплексное состояние геометрии частиц А_геом, внутреннего энергетического состояния, зависящего от кристалличности и дефектности структуры А_э, и химической активности А_х:

 

А = А_геом + А_э + А_х.

 

Исходя из этого, комплексное состоянии геометрии частиц А_геом в процессах обогащения, измельчения, смешивания и активации можно приближенно оценивать по изменению геометрических параметров до и после обработки.

 

Рис. 25. Комплекс свойств и методов для оценки активности сыпучих формовочных материалов

 

Оценивать А_геом можно качественно, но в зависимости от технологических задач можно получать и приближенные количественные коэффициенты. При активации слоистых материалов (бентонита, графита) целью обработки является получение максимальной активации при измельчении за счет увеличении дисперсности и энергии, необходимой степени химических превращений. Поэтому А_геом оценивают по формуле

где К – значение параметра до активации; К ^/ – значение параметра после активации.

При этом исходят из следующих соображений% чем больше дисперсность К_D, удельная поверхность К_S, микропористость К _пор и шероховатость К _угл частиц, тем больше значение А_геом и тем более активен в физико-механических связях материал благодаря только геометрии частиц.

При активации зернистого кварцевого песка цель обработки заключается в «обдирке» пленок глинистых связующих, окатывании поверхности зерен, уплотнении структуры за счет уменьшения микропористости и трещиноватости при условии активации поверхности зерен. Следовательно, задачей обогащения и активации песка можно считать уменьшение К _угл и К _пор, приближение формы к сферической, снятие избыточной энергии при условии минимального накопления пылевидных фракций, для удаления которых требуется последующая классификация песка.

Поэтому А_г оценивают, исходя из того, что чем больше А_г, тем качественнее песок, по коэффициентам:

где К _Г – газопроницаемость расчетная; К _осн.фр – содержание основной фракции песка; К _{фр. < 1 мкм} – содержание фракции размером меньше 1 мкм; К _ф – форма частиц по четырехбальной системе (округлые – 1 балл, полукруглые – 2 балла, остроугольные – 3 балла, осколочные – 4 балла).

Сыпучие формовочные материалы должны при определенных геометрических параметрах обеспечивать высокую адгезионную прочность поверхностных контактов между различными материалами (огнеупорный наполнитель – связующее), высокую когезионную прочность связующего (например, бентонита). Поверхностная активность частиц таких материалов обеспечивает высокие показатели последующих физико-механических связей в фазовых контактах. Поэтому энергетические параметры формовочных материалов можно оценивать известным методом сравнительного анализа характеристических отражений на рентгенограммах, по величине их интенсивности и ширины судить об аморфизации и микроискажениях в кристаллической структуре материалов.

Учитывая цель активации (увеличение аморфизации и микроискажений или, наоборот, снижение), активность за счет энергетического состояния, можно приближенно оценить по коэффициенту улучшения показателей. Например, в том случае, когда мы добиваемся увеличения G _общ для материала в процессе любого воздействия на него,

где j, e – интенсивность и ширина характерного пика на рентгенограмме материала в исходном состоянии; j ', e ' – те же показатели для активированного состояния (после любого воздействия на материал).

В случае снижения G _общ

При таком подходе коэффициент активности материалов за счет энергетического состояния их частиц будет всегда положительным и позволит ориентировочно оценить, во сколько раз удалось улучшить активность материала.

Как отмечалось выше, для формовочных материалов более объективным, простым и доступным для экспресс-анализа можно считать метод определения электрофизических свойств и оценки А_э через Е_А, ε, tg δ. В случае увеличения G _общ

где Е _А, ε, tg δ – энергия активации проводимости, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала в исходном состоянии, с которым ведется сравнение; Е ' _А, ε', tg δ' – те же параметры материалов в активированном состоянии (после любого воздействия на материал).

Если активация осуществляется с целью структурного уплотнения и снижения G _общ, то

Химический состав оценивается для каждого формовочного материала, исходя из функций, которые он несет в составе смесей и покрытий. Однако для всех сыпучих материалов особые требования предъявляются по содержанию основного минерала и вредных примесей. Поэтому активность за счет улучшения химического состава материалов можно оценивать по этим показателям

А_х = (Q '_осн – Q _осн) + (Q _прим – Q '_прим),

где Q – содержание основного минерала и примесей в исходном состоянии, %; Q ' – те же показатели при различных стадиях обработки материалов.

Следовательно, А_х при такой оценке показывает, на сколько удалось повысить содержание основного материала и снизить содержание примесей. В случае нескольких примесей Q _прим определяется суммарно по отдельным соединениям.

Оценку общей активности А материалов за счет отдельных параметров А_геом, А_э, А_х можно осуществлять качественным сравнением показателей. Между тем расчет приближенных коэффициентов по всем исследуемым параметрам позволяет быстро и довольно точно выбрать области наиболее оптимальных свойств в процессе обработки материалов в различных агрегатах и определить режимы обработки. Комплексное улучшение всех показателей механоактивированного пылевидного кварца, полученного в роликовой планетарной мельнице при обработке в течение 3 мин, в сравнении с кварцем шарового помола показано в табл. 31.

 

Таблица 31

Активность пылевидного кварца

 

Коэффициенты улучшения отдельных параметров Кi	Люберецкий пылевидный кварц марки КП-3	Балашейский механоактивированный пылевидный кварц (РПМ, 3 мин) марки КПМ
	1	3,5
K < 10 мкм		3,9
K фр	1 Агеом = 6	1,3 Агеом = 13,4
K угл		1,1
K пор		2,0
K пов		1,6
	1	2,0
K e	1 Аэ = 6	4,8 Аэ = 4,8
K tg d		1,6
	1 Ах = 1	2,3 Аг = 2,3
А = Агеом + Аэ + Ах = S Ki		20,5

 

Конечно, оценка качества материала по таким коэффициентам весьма приблизительная и показывает лишь относительное улучшение свойств по сравнению с выбранным исходным состоянием. Точность рассчитываемых коэффициентов прямо зависит от точности результатов исследуемого метода анализа. Большинство же используемых методов очень чувствительны к состоянию частиц материалов (свободные или агрегатированные, плотные или пористые, гладкие или шероховатые и раковинистые, близкие к сферической форме или осколочные и т.д.), а также к режимам подготовки проб и зависят от многих других факторов.

В связи с этим важно отметить, что такой метод оценки активности материалов не является универсальным и не гарантирует очень высокой точности. Между тем в первом приближении расчет коэффициента активности позволяет выбрать наиболее рациональные режимы процессов подготовки или специальной активации, при которых обеспечивается максимально возможный уровень свойств для каждого конкретного материала. Кроме того, обеспечивается поиск возможностей повышения качества материалов и составов в сравнении с достигнутым и более объективным становится прогнозирование свойств смесей, красок и качества отливок.

Контрольные вопросы и задания

 

1. Какие свойства характеризуют геометрические параметры материалов?

2. Дайте понятие удельной поверхности, назовите виды и способы определения.

3. Назовите методы определения размерных характеристик частиц сыпучих материалов.

4. На какие свойства влияют пористость, угловатость частиц и как их оценивают?

5. Как подсчитать изменение активности материала по сравнению с эталоном по геометрическим параметрам?

6. В чем суть энергетических изменений в материалах?

7. Какие параметры характеризуют энергетическое состояние частиц материала?

8. Назовите новые методы испытаний материалов.

9. Что дает комплексный подход в оценке качества?

10. Какой вклад в общую активность материалов дает каждая из ее составляющих?

11. Как рассчитать коэффициент общей активности сыпучего материала?

12. Расскажите о необходимости и возможности применения ЭВМ в расчетах активности.

 

Глава 3