Warstwa pierścieniowa proszku
Warstwa pierścienia proszkowego powstaje, gdy proszek w cylindrycznej komorze mieszania jest silnie przyspieszany przez centralnie umieszczone narzędzie mieszające. Narzędzie mieszające obraca się z dużą prędkością obwodową. Cząstki proszku są zmuszane przez bezwładność do ruchu po torze quasi-okrągłym.
Cząstki podlegają przyspieszeniu odśrodkowemu. Wynosi ono w przybliżeniu
az = ω2·r
- gdzie ω to prędkość kątowa
- r to połowa średnicy obrotu
Siła odśrodkowa F działająca na cząstkę o masie m wynosi
Fz = m·ω2·r
W ten sposób proszek jest dociskany do wewnętrznej ścianki cylindra mieszającego. W stanie stacjonarnym tworzy się pierścieniowy obszar o dużej gęstości. Mówi się o warstwie pierścieniowej proszku. W warstwie tej panuje równowaga między siłą odśrodkową, grawitacją i tarciem ścianki.
Siły kontaktowe między cząstkami a ścianką prowadzą do silnego obciążenia ścinającego. Siła tarcia ścianki rośnie wraz z siłą normalną, która jest określana przez siłę odśrodkową. W uproszczeniu
FR = μ·FN
- μ to współczynnik tarcia
- FN to siła normalna
Im większe ω i r, tym większe są siły normalne, a tym samym naprężenia ścinające w warstwie pierścieniowej. Ciągła gra między przyspieszeniem wywołanym przez narzędzie mieszające a hamowaniem przy ściance powoduje intensywny ruch względny cząstek. Aglomeraty ulegają dezagregacji. Jednocześnie następuje bardzo intensywne wymieszanie cząstek pierwotnych.
W przypadku dodania niewielkiej ilości spoiwa mechanizm ulega zmianie. Zderzające się cząstki sklejają się w miejscach styku. Powstają aglomeraty o określonej wielkości. Warstwa pierścieniowa działa w tym przypadku jako strefa aglomeracji.
Równomierność aglomeratów zależy w dużym stopniu od geometrii komory mieszania. Cylinder o bardzo okrągłym kształcie ma niemal stałą linię promienia ścianki. Wówczas odległość między narzędziem mieszającym a ścianką pozostaje w dużej mierze stała. Mówi się wtedy o wysokim stopniu równodystancji. Wysoka ekwidystancja prowadzi do wąskiego pasma rozkładu naprężeń ścinających i normalnych w warstwie pierścieniowej. Wszystkie cząstki przechodzą podobne cykle obciążenia. Sprzyja to wąskiemu rozkładowi spektrum wielkości ziaren powstających aglomeratów.
Dynamikę w warstwie pierścieniowej proszku można w idealnym przypadku opisać za pomocą bezwymiarowych wskaźników. Ważną wielkością jest współczynnik Froude'a Fr. W przypadku zbiorników obrotowych często definiuje się go w następujący sposób:
Fr=ω2⋅r/g
Gdzie g to przyspieszenie ziemskie, ω to prędkość kątowa, a r to promień charakterystyczny. Współczynnik Froude'a charakteryzuje stosunek przyspieszenia odśrodkowego do grawitacji. Jeśli dominuje siła odśrodkowa (Fr≫1), warstwa pierścieniowa jest mocno dociskana do ścianki. Przy mniejszych wartościach (Fr<1) wzrasta wpływ grawitacji, a proszek może częściowo spływać lub krążyć w warstwie toczącej się lub ślizgającej się.