DE4227376C2 - Verfahren zur Bestimmung der mittleren Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung eines Schüttguts und Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der mittleren Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung eines Schüttgutes, bei dem aus einem kontinuierlichen Prozeß eine Probe des Schütt­ gutes entnommen wird, die Probe in einer allseitig verschließbaren Meßkammer (2) gefüllt und in der Meßkammer (2) verdichtet wird. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für verschiedenste Anwendungsfälle besteht ein erhebliches Bedürf­ nis, die mittlere Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung eines in einem Prozeß befindlichen Schüttguts möglichst automa­ tisch festzustellen. Mit den ermittelten Werten kann dabei eine Qualitätssicherung oder eine Steuerung nachfolgender Prozeßstufen vorgenommen werden.

Eine einfach automatisierbare Bestimmung der Partikelgrößenverteilung ist nicht bekannt. Es ist bekannt, die Partikelgrößenverteilung da­ durch festzustellen, daß bestimmt wird, wieviel Prozent einer Pro­ be des Schüttgutes jeweils durch Siebe mit unterschiedlichen Ma­ schenweiten hindurchfällt. Dadurch läßt sich eine Kurve ermitteln (vgl. Fig. 4), deren 50%-Wert die mittlere Partikelgröße und deren Steilheit die Partikelgrößenverteilung angibt.

Eine derartige Bestimmung der Partikelgrößenverteilung ist zeit­ aufwendig und für einen kontinuierlichen Prozeß nicht durchführ­ bar.

Beispielsweise durch DE 38 02 757 A1 ist es bekannt, die granulo­ metrische Zusammensetzung eines zerkleinerten Schüttgutes zu mes­ sen. Aus dem Prozeß werden automatisch Proben entnommen und zur Füllung einer Meßkammer verwendet. Nach dem Verschließen der Meß­ kammer wird das Schüttgut in der Meßkammer verdichtet, indem die Meßkammer einer Vibration ausgesetzt wird. Die Verdichtung führt zu einer Volumenverkleinerung in der Meßkammer. Diese Volumenver­ kleinerung wird durch eine Durchstrahlung der Meßkammer mit Gamma- Strahlen und einem entsprechenden Sensor festgestellt. Dieser Meß­ methode liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Verdichtbarkeit eines Schüttgutes eine Funktion der mittleren Partikelgröße des Schüttgutes ist. Die mit der bekannten Vorrichtung erhaltenen Meß­ werte sind in ihrer Genauigkeit begrenzt, so daß nur eine grobe Ermittlung des Schüttgutparameters "Partikelgröße" möglich ist. Die Bestimmung einer Partikelgrößenverteilung ist mit den ermit­ telten Meßwerten nicht möglich.

Aus der DE 40 36 066 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Mahlfeinheit von Schüttgut mittels einer Durchströmungsmessung von Luft unter Verwendung einer Eichkorrelation zwischen mittlerer Korngröße und Luftdurchlässigkeit der Probe bekannt.

Bekannte Verfahren erlauben daher keine schnelle und einfach automatisier­ bare Ermittlung des Schüttgutparameters "Partikelgrößenvertei­ lung".

Ausgehend von dieser Problemstellung ist das Verfahren der ein­ gangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Dichte des Schüttgutes beim Verdichtungsvorgang in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft gemessen wird und daß der gemessene Verlauf mit der mittleren Partikelgröße und einer Parti­ kelgrößenverteilung über vorher für die betreffende Schüttgut­ art ermittelte Beziehungen korreliert wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Aufnahme eine Kurve der Verdichtung des Schüttgutes in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft bzw. aufgebrachten Verfestigungsspannung Para­ meter ermittelt werden können, die in Beziehung zur Partikelgrö­ ßenverteilung setzbar sind, indem eine derartige Beziehung für die betreffende Schüttgutart vorher experimentell ermittelt wird.

Dabei kann es zweckmäßig sein, wenn die in der Meßkammer befindli­ che Schüttgutmenge gewogen wird.

Ein erheblicher Zusatznutzen kann erzielt werden, wenn ein durch den Verdichtungsvorgang gebildeter Block aus Schüttgut nach Ent­ fernen von Wänden der Meßkammer mit einem Druckstempel eine ein­ achsigen Belastung bis zum Bruch unterworfen wird und die für den Bruch erforderliche Kraft gemessen und mit der für die Verdichtung aufgebrachten Kraft in Beziehung gesetzt wird. Auf diese Weise kann ohne großen Zusatzaufwand die Schüttgutfestigkeit für die aufgewandte Verfestigungsspannung bestimmt werden. Wird die Be­ stimmung für unterschiedliche Verdichtungskräfte bzw. -spannungen bestimmt, läßt sich die sogenannte Fließfunktion darstellen, die das Fließvermögen des Schüttgutes charakterisiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorzugsweise unter Ver­ wendung einer an sich bekannten Vorrichtung durchführen, die eine Probenentnahmevorrichtung, einen Einlauf für den entnommenen Pro­ ben-Schüttgutstrom und eine unter dem Einlauf angeordnete, allsei­ tig verschließbare Meßkammer mit einer als Druckstempel ausgebil­ deten Wand aufweist, wobei der Druckstempel mit einer Meßeinrich­ tung zur Kraft- und/oder Wegmessung verbunden ist.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise durch die US 4 616 508 oder die japanische veröffentliche Patentanmeldung 2-216028 bekannt.

In beiden Fällen wird diese Vorrichtung zur Bestimmung der Ver­ dichtbarkeit eines körnigen Materials verwendet. Während gemäß der US 4 616 508 die komplette Verdichtung mit der hierfür aufgewand­ ten Kraft in Beziehung gesetzt wird, ist gemäß der JP 2-216028 vorgesehen, einen Verdichtungskoeffizienten im linearen Teil der Verdichtungskurve zu bestimmen, indem im linearen Teil eine Druck­ differenz zu einer Wegdifferenz (bew. Verdichtungsdifferenz) in Beziehung gesetzt wird. Gemäß der US 4 616 508 können die Messun­ gen der Verdichtbarkeit dazu verwendet werden, die Komponenten für einen Formsand für Gießereizwecke zu steuern, um die Zusammenset­ zung des Formsandes in der gewünschten Weise zu beeinflussen. Eine Bestimmung vom Partikelgrößen oder gar Partikelgrößenverteilungen ist mit diesen Vorrichtungen nicht vorgesehen und in den beschrie­ benen Verwendungsarten auch nicht möglich.

Die erfindungsgemäß verwendete Vorrichtung kann unterhalb der Kam­ mer vorzugsweise eine Wägeeinrichtung für das die Meßkammer ver­ lassende Schüttgut aufweisen. Zur Abtrennung des Schüttgutes in der Meßkammer von dem Prozeßschüttgut kann die Meßkammer zweckmä­ ßigerweise auf der Einlaufseite und der Auslaufseite mit jeweils einem Schieber verschließbar sein.

Zur Durchführung der Messung der Schüttgutfestigkeit ist es zweck­ mäßig, wenn die senkrecht zum Druckstempel stehenden Wände der Meßkammer entfernbar sind, da die Messung dann ohne einen erfor­ derlichen Transport des Schüttgutblockes an Ort und Stelle erfol­ gen kann.

Die Erfindung, bevorzugte Ausführungsformen und erzielbare Vortei­ le werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Seitenansicht mit einem Teil­ schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 Einen horizontalen Schnitt durch die Meßkammer gemäß Fig. 1.

Fig. 3 Eine Meßkurve für die Schüttgutdichte in Abhän­ gigkeit von der aufgewandten Verfestigungsspan­ nung.

Fig. 4 Meßkurven für die Partikelgrößenverteilung ver­ schiedener Schüttgutproben.

Fig. 5 Eine schematische Darstellung eines einachsigen Druckversuches im Anschluß an eine mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommenen Ver­ festigung des Schüttgutes.

Fig. 6a Eine typische Meßkurve für die bei einem Druck­ versuch aufgewandte Spannung über dem Weg des Druckstempels.

Fig. 6b Eine schematische Darstellung des Druckversuchs mit den Meßparametern für die Meßkurve gemäß Fig. 6a.

Fig. 7 Eine Fließfunktion, die das Verhältnis der Druck­ festigkeit des verfestigten Schüttgutes in Abhän­ gigkeit von der aufgewandten Verfestigungsspan­ nung wiedergibt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die an eine (nicht dargestellte) Probenentnahmevorrichtung angeschlossen ist. Das mit der Probenentnahmevorrichtung entnommene Schüttgut gelangt in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1 in einem trichterförmigen Ein­ lauf 1. Unterhalb des Einlaufs 1 befindet sich eine quaderförmige Meßkammer 2 wie Fig. 2 verdeutlicht.

Die Meßkammer 2 ist auf ihrer Oberseite und Unterseite mit je­ weils einem Schieber 3, 4 verschließbar. Eine komplette Wand der Meßkammer ist als ein verschiebbarer Druckstempel 5 ausgebildet, der an seiner zur Meßkammer zeigenden Oberfläche mit einem Kraft­ aufnehmer 6 versehen ist. Fig. 1 zeigt eine schematische Lagerung einer Kolbenstange 8 des Druckstempels 5, in der die Kolbenstange 8 bzw. der Druckstempel 5 horizontal hin- und herverschiebbar ist. Die Verschiebung des Druckstempels 5 im Sinne einer Volumenver­ kleinerung der Meßkammer erfolgt mit einer Verschiebungsrichtung senkrecht zu einer während der Verdichtung ortsfesten Gegenwand 9 und parallel zu den Schiebern 3, 4 sowie zwei Seitenwänden 10, 11 (Fig. 2). Unterhalb der Verdichtungskammer 2 ist eine Wägeein­ richtung 12 angeordnet, die eine V-förmige Aufnahme für das Schüttgut aufweist, von der ein Schenkel 13 ortsfest und der ande­ re Schenkel 14 in eine (gestrichelt dargestellte) Entleerungsstel­ lung verschwenkbar ist. Die Steuerung der Entleerung erfolgt mit einem Steuerzylinder 15, der hydraulisch oder pneumatisch be­ dienbar ist.

An der während der Verdichtung ortsfesten Gegenwand 9 befindet sich eine Austraghilfe 16, die beispielsweise als Vibrator ausgebildet sein kann und das Austragen des ggfs. verdichteten Schüttgutes aus der Meßkammer 2 in die Wiegevorrichtung 12 unter­ stützen soll.

Fig. 2 verdeutlicht, daß die Seitenwände 10, 11 senkrecht zu ih­ ren Oberflächen verfahrbar gelagert sind, so daß ein in der Meß­ kammer 2 verdichteter Block 17 aus Schüttgut ohne seitliche Unter­ stützung mit dem Druckstempel 5 belastet werden kann, wie dies anhand der Fig. 5 ff. noch erläutert werden wird.

Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen, daß die wirksame Fläche des Druckstempels 5 genau mit dem vertikalen Querschnitt der Meß­ kammer 2 übereinstimmt, so daß die gesamte Wand durch den Druckstempel 5 gebildet wird. Neben dem Kraftaufnehmer 6 an der Oberfläche des Druckstempels 5 ist mit dem Druckstempel 5 ein (nicht dargestellter) Wegaufnehmer verbunden. Die aus Kraftaufneh­ mer 6 und Wegaufnehmer bestehende Meßeinrichtung erlaubt die Auf­ nahme einer Meßkurve, wie sie beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist. Da das Volumen der Meßkammer bekannt ist und der Weg des Druckkolbens 5 während der Verfestigung gemessen wird, kann hier­ aus der Verlauf der relativen Dichte des Schüttgutes beim Verdich­ tungsvorgang festgestellt werden. Durch den anschließenden Wäge­ vorgang in der Wägevorrichtung 12 kann die relative Dichte in eine absolute Dichte umgerechnet werden. Da gleichzeitig die vom Druckstempel 5 auf das Schüttgut übertragene Kraft mit dem Kraft­ aufnehmer 6 gemessen wird und diese Kraft mit einer definierten Fläche aufgebracht wird, steht auch der Verlauf der Verfestigungs­ spannung (Kraft pro Fläche) zur Verfügung. Die Meßeinrichtung er­ laubt daher die Feststellung der Abhängigkeit der Schüttgutdichte ρ_b von der Verfestigungsspannung σ.

Die Auswertung einer derartigen Meßkurve erfolgt mit Hilfe soge­ nannter Regressionsgleichungen, die an die Meßkurven angepaßt wer­ den. In der Literatur sind zahlreiche Regressionsansätze bekannt. Beispielhaft soll nur auf einen Regressionsansatz verwiesen wer­ den, der eine physikalische Deutung der einzelnen Konstanten zu­ läßt. Der allgemeine Ansatz lautet:

ρ_b = c₁₀ + c₁₁^σ - c₁₂^{e-c13 σ}

Dieser Ansatz läßt sich in folgende Form bringen:

Dabei ergibt sich die Schüttgutdichte ρ_min für die Spannung "0". Die Zunahme der Schüttgutdichte wird mit einem linearen Anteil mit der Steigung Δρ/σ₀ und mit einem exponentiellen Anteil beschrieben, der die nichtlineare Zunahme der Schüttgutdichte von ρ_min (Spannung "0") auf ρ_min (Spannung σ→∞) darstellt. Der lineare Anteil ist physikalisch an sich nicht sinnvoll und wurde eingeführt, um im Bereich kleiner Spannungen mit Hilfe des linearen Terms eine bes­ sere Anpassung an die gemessenen Kurvenverläufe zu erzielen.

Für die Beurteilung von Schüttgütern ist die Partikelgrößenverteilung in dem Schüttgut von eminenter Bedeutung. Fig. 4 zeigt einige Kur­ ven, die für verschiedene Proben die Partikelgrößenverteilung cha­ rakterisieren. Die Kurvenverläufe geben jeweils an, welcher Bruch­ teil der Probe durch ein Sieb mit der Maschenweite, die auf der Abszisse angegeben ist, hindurchfällt. Dabei gibt der Wert 0,5 für den Durchgang die mittlere Partikelgröße an. Die noch interessie­ rende Partikelgrößenverteilung ergibt sich aus dem Maß der Steilheit der Kurven. Eine sehr steil verlaufende Kurve ist ein Indikator für eine enge Verteilung der Partikelgrößen, während eine stark schräg verlaufende Kurve für eine breite Verteilung der Partikelgrößen charakteristisch ist.

Die Verdichtbarkeit eines Schüttgutes nimmt mit der Feinheit der Partikel zu. Je kleiner der Wert für die mittlere Partikelgröße ist, um so stärker läßt sich ein Schüttgut verdichten. Für die Regressionsgleichung bedeutet dies, daß ρ_max-ρ_min um so größer ist, je kleiner der Wert für die mittlere Partikelgröße ist. Der Ein­ fluß der Steilheit der Partikelgrößenverteilung auf die Verdicht­ barkeit hängt vom jeweiligen Schüttgut ab und muß durch Vorversu­ che mit unterschiedlichen Proben des Schüttgutes ermittelt werden. Nach dieser Ermittlung können die aus den Anpassungsgleichungen für die Verdichtungskurven zu entnehmenden Parameter oder Kombina­ tionen dieser Parameter (z. B. der Term (ρ_max-ρ_min)) in Versuchs­ reihen mit Partikelgrößenverteilungen korreliert werden, so daß anschließend die direkte Berechnung der Parameter der Partikelgrö­ ßenverteilgungen aus den Parametern der Verdichtungskurven mög­ lich ist.

Fig. 5 verdeutlicht schematisch eine Messung der Schüttgut­ festigkeit. Dabei wird - wie bereits beschrieben - das Schüttgut in der Meßkammer mit Hilfe des Druckstempels 5 unter Aufbringung einer Druckspannung σ₁ (Kraft S₁ = σ₁·A) verfestigt. Anschließend werden die bewegbaren Seitenwände 10, 11 entfernt, so daß der ver­ festigte Schüttgutblock 17 ohne seitliche Unterstützung verbleibt. Auf diesen Schüttgutblock 17 wird nun mit Hilfe des Druckstempels 5 eine solche Spannung σ_c (S_c = σ_c·A) aufgebracht, daß der Schütt­ gutblock 17 bricht.

Fig. 6a und 6b verdeutlichen die dabei entstehende Meßkurve für σ_c. Der Druckstempel 5 legt bei der Druckbeaufschlagung einen Weg x zurück, wobei die Spannung im wesentlichen linear zunimmt. Kommt es zum Bruch des Schüttgutblocks 17, fällt die Spannung von dem maximal aufgebrachten Wert σ_c wieder ab und der Kolben kann theore­ tisch über einen weiteren Weg x mit geringerer Spannung σ weiter­ bewegt werden.

Das Auftragen der gemessenen Werte σ_c in Abhängigkeit von unter­ schiedlichen Verfestigungsspannungen σ₁ führt zu der in Fig. 7 dargestellten Fließfunktion. Diese Fließfunktion charakterisiert das Fließvermögen des Schüttgutes. Bei einer hohen Schüttgutfe­ stigkeit für bereits relativ geringe Verfestigungsspannungen bil­ det das Schüttgut beispielsweise stabile Brücken, die die Entleer­ barkeit des Schüttgutes aus einem Silo beeinträchtigen können. Darüber hinaus kann in Form einer Qualitätskontrolle festgestellt werden, ob ein produziertes (beispielsweise gemischtes) Produkt nicht zu schlechte Fließeigenschaften (entsprechend einer zu hohen Schüttgutfestigkeit) für eine bestimmte Anwendung hat.

Mit der beschriebenen Vorrichtung lassen sich die erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Schüttgutparametern voll automa­ tisch durchführen und in einem Prozeßrechner auswerten. Die Aus­ wertungen können zur Anzeige gebracht werden oder direkt als Steu­ ergrößen für Prozeßparameter Verwendung finden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung der mittleren Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung eines Schüttgutes, bei dem aus einem kontinuierlichen Prozeß eine Probe des Schütt­ gutes entnommen wird, die Probe in einer allseitig ver­ schließbaren Meßkammer (2) gefüllt und in der Meßkammer (2) verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Dichte des Schüttgutes beim Verdichtungsvor­ gang in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft gemes­ sen wird und daß der gemessene Verlauf mit der mittleren Partikelgröße und einer Partikelgrößenverteilung über vorher für die betreffende Schüttgutart ermittelte Beziehungen korreliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Meßkammer (2) befindliche Schüttgutmenge gewogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein durch den Verdichtungsvorgang gebildeter Block (17) aus Schüttgut nach Entfernen von Wänden (10 und/oder 11) der Meßkammer (2) mit einem Druckstempel (5) einer einachsigen Belastung bis zum Bruch unter­ worfen wird und daß die für den Bruch erforderliche Kraft (S_c) gemessen und mit der für die Verdichtung aufgebrachten Kraft (S₁) in Beziehung gesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Auf­ nahme mehrerer Meßwerte für unterschiedliche Verdich­ tungskräfte (S₁).

5. Verwendung einer Vorrichtung mit einer Probenentnahme­ vorrichtung, einem Einlauf (1) für einen mit der Probe­ nentnahmevorrichtung entnommenen Proben-Schüttgutstrom und einer unter dem Einlauf (1) angeordneten allseitig verschließbaren Meßkammer (2) mit einer als Druckstempel (5) ausgebildeten Wand, mit der eine Meßeinrichtung (6) zur Kraft- und/oder Wegmessung verbunden ist, zur Durch­ führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer unterhalb der Kammer (2) angeordneten Wägeeinrichtung (12) für das die Meßkammer (2) verlassende Schüttgut.

7. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Meßkammer (2) auf der Einlaufseite und auf der Auslaufseite mit jeweils einem Schieber (3, 4) ver­ schließbar ist.

8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die senkrecht zum Druckstempel (5) ste­ henden Wände (10, 11) der Meßkammer (2) entfernbar sind.