Кольцевой слой порошка

Слой порошкового кольца образуется, когда порошок в цилиндрической смесительной камере сильно ускоряется смесительным инструментом, установленным в центре. Смесительный инструмент вращается с высокой периферической скоростью. Частицы порошка под действием инерции вынуждены двигаться по квазикруговой траектории.

Частицы подвергаются центробежному ускорению. Оно составляет приблизительно

a_z = ω²·r

• ω — угловая скорость
• r — половина диаметра вращения

Результирующая центробежная сила F, действующая на частицу с массой m, равна

F_z = m·ω²·r

В результате порошок прижимается к внутренней стенке смесительного цилиндра. В стационарном состоянии образуется кольцеобразная, плотно упакованная область. Ее называют порошковым кольцевым слоем. В этом слое существует равновесие между центробежной силой, силой тяжести и трением о стенку.

Силы контакта между частицами и стенкой приводят к сильному сдвиговому напряжению. Сила трения о стенку растет вместе с нормальной силой, которая определяется центробежной силой. Упрощенно

F_R = μ·F_N

• μ — коэффициент трения
• F_N — нормальная сила

Чем больше ω и r, тем выше нормальные силы и, следовательно, сдвиговое напряжение в кольцевом слое. Постоянное взаимодействие ускорения, создаваемого смесительным органом, и торможения на стенке вызывает интенсивное относительное движение частиц. Агломераты дезагломерируются. Одновременно происходит очень интенсивное перемешивание первичных частиц.

При добавлении небольшого количества связующего вещества механизм изменяется. Столкнувшиеся частицы склеиваются в местах соприкосновения. Образуются агломераты определенного размера. В этом случае кольцевой слой действует как зона агломерации.

Равномерность агломератов в значительной степени зависит от геометрии смесительной камеры. Цилиндр с очень округлой формой имеет практически постоянную линию радиуса стенки. В этом случае расстояние между смесительным инструментом и стенкой остается в основном постоянным. Говорят о высокой степени эквидистанции. Высокая эквидистанция приводит к узкому диапазону распределения сдвиговых и нормальных напряжений в кольцевом слое. Все частицы проходят через одинаковые циклы нагружения. Это способствует узкому распределению гранулометрического состава образующихся агломератов.

Динамику в кольцевом слое порошка можно идеализировать с помощью безразмерных показателей. Важной величиной является число Фруда Fr. Для вращающихся емкостей оно часто определяется следующим образом:

Fr=ω²⋅r/g

Здесь g — ускорение свободного падения, ω — угловая скорость, а r — характерный радиус. Число Фруда характеризует соотношение центробежного ускорения к силе тяжести. Если доминирует центробежная сила (Fr≫1), кольцевой слой сильно прижимается к стенке. При меньших значениях (Fr<1) влияние силы тяжести увеличивается, и порошок может частично стекать или циркулировать в виде катящегося или скользящего слоя.