Свойства насыпных грузов в конечном счёте влияют на выбор того или иного средства механического перемещения продукта в максимальной степени обеспечивающего эффективную работу технологического и конвейерного оборудования. Существует целый ряд основных показателей насыпных материалов. К основным показателям относятся в первую очередь гранулометрический состав, или иначе кусковатость насыпного груза, влажность насыпного груза, сыпучесть продукта, объёмная масса груза, внешнее трение, липкость, коррозийность, абразивность, хрупкость, самовозгораемость, взрывоопасность, гигроскопичность, ядовитость. В дальнейшем более подробно рассмотрим каждое из этих свойств насыпных грузов.
Гранулометрический состав характеризует количество распределения частиц, кусков материала в зависимости от размеров частиц. Крупность материала определяется путём выбора из общей массы груза максимальных по размеру кусков. Для того чтобы правильно определить гранулометрический состав из общей массы насыпного продукта выбирают пробу в разных частях штабеля.
С целью соответствия усредненному составу груза выбранные порции перемешивают и сокращают до требуемого объёма пробы. Выборку порций груза производят со дна ямок глубиной 500 мм, которые вырываются на свободной поверхности насыпного груза. Эти ямки располагаются с определённым шагом. Шаг в подавляющем большинстве случаев выбирается равным 2000 мм по всей поверхности штабеля и вдоль и поперёк.
Масса вычерпываемых порций зависит от размеров выбранных типичных кусков и растёт в зависимости от увеличения крупности груза. Для мелкофракционных материалов масса пробы равна единице, для продуктов, состоящих из мелких кусков масса пробы равна двум, для материалов, состоящих из средних кусков масса пробы равна трём, четырём.
Для грузов, включающих в свой состав крупные куски, масса груза выбирается равной 5 кг. Идентичные по размеру порции выбираются из потока движущегося груза. При этом входное отверстие приёмного сосуда в максимальной степени должно охватывать поперечное сечение потока.
Все отобранные порции насыпного груза перемешивают способом кольцевания. Называется данный тип перемешивания отобранного груза из-за того, что все выбранные порции раскладываются в виде широкого кольца на горизонтальном помосте. Далее два рабочих перебрасывают порции груза в центр кольца, и при этом образуется общая коническая куча. При большом объёме порции это работа может выполняться одноковшовым погрузчиком. Насыпной продукт из этой конической кучи снова раздвигают и формируют в виде первоначального кольца. Весь процесс повторяется не менее трёх, пяти раз.
Сокращают пробу квартованием или вычерпыванием. Способ квартования заключается в делении конической кучи посредством доски на четыре сектора. Два противоположных сектора удаляются, а два оставшиеся соединяются в общую коническую кучу. Данный процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнут необходимый объем пробы.
Второй способ, способ вычерпывания используется при взятии пробы грузов, состоящих из мелкофракционных продуктов. В общем виде этот способ можно описать алгоритмом действий. Выбранную пробу распределяют небольшим слоем на горизонтальном настиле, и далее посредством рейки на поверхность слоя наносится квадратная сетка. Из каждого квадрата выбирается небольшая проба груза по всей толщине слоя. Из выбранных порций составляется проба. В случаях, когда объём пробы велик, процесс вычерпывания повторяется.
Гранулометрический состав взятой пробы определяется методом просеивания насыпного груза. Просеивание осуществляется через ряд сит, отверстия в которых постепенно увеличиваются. Часть пробы, которая прошла через сито носит название выход снизу, а часть, оставшаяся в сите выход сверху. В соответствии с данными ситового анализа производится построение графика, который характеризует состав насыпного груза по крупности входящих в него кусков.
Влажность насыпного груза определяется посредством его просушивания при температуре плюс 105 по Цельсию. При этом проба периодически взвешивается. Просушивание осуществляется до тех пор, пока не наступит постоянство общей структуры массы материала. Влага, которая удаляется во время осуществления процесса просушивания, состоит из внутренней, которая впитывается частицами насыпного груза из окружающей среды, иначе называемая гигроскопичная влага, и из внешней, которая покрывает частицы насыпного груза в виде тонких плёнок. Эта влага называется пленочная или молекулярная влага. Также присутствует влага, заполняющая поры между частицами, называемая гравитационная или свободная влага.
Сыпучесть грузов можно охарактеризовать в зависимости от предельных касательных напряжений от давления в толще насыпного груза. В соответствии с полученными показаниями во время испытаний строится график предельных касательных напряжений. В соответствии с опытными значениями строится прямая предельных касательных напряжений. Эта прямая в общем случае пересекает ось координат выше определённой точки, что характеризует связность груза.
Сыпучие грузы, у которых прямая предельных касательных напряжений проходит через начало координат называются идеально сыпучими телами, а соответствующие насыпные грузы легко и хорошо сыпучими. Для идеально сыпучих материалов коэффициент внутреннего сдвига равен коэффициенту внутреннего трения. Для хорошо сыпучих грузов угол внутреннего трения равен углу естественного откоса. Угол естественного откоса связан с грузом. Он больше чем угол внутреннего трения зависит от способа формирования откоса, при высыпании сверху образуется угол насыпания, а при обрушении угол обрушения. Величины этих углов определяются по существующим формулам. К углу внутреннего сдвига наиболее близок по величине эффективный угол трения. Для его построения через точку предельных касательных напряжений связанного насыпного груза проводят круг Мора. Касательная, которая проводится из начала координат к этому кругу, образует осью абсцисс искомый угол. В соответствии с формулой определяется эффективный угол трения.
Сыпучесть груза характеризуется коэффициентом подвижности, который равен отношению главных напряжений по отношению друг к другу. Величины этих напряжений находят построением круга Мора касающихся линии предельных напряжений. Все коэффициенты находятся по существующим формулам.
Начальное сопротивление сдвигу может быть определено с помощью приборов, которые определяют максимальную высоту свободно стоящей вертикальной стенки и максимальный размер сводообразующего отверстия. Этот прибор состоит из сосуда с откидной стенкой. В начале опыта эта стенка находится в вертикальном положении, сосуд наполняют насыпным грузом таким образом, чтобы поверхность груза была горизонтальной.
Далее откидную стенку отклоняют направление стрелки. В том случае, если груз не осыпается и сохраняет вертикальный откос, то опыт повторяют при увеличенной высоте насыпи до тех пор, пока не будет найдена максимальная высота, при превышении которой продукт начинает обрушиваться вниз. Прибор, с помощью которого производится определение наибольшей ширины сводообразующей щели, состоит из высокого сосуда с отверстием в днище шириной перекрываемой задвижки.
В начале опыта задвижка закрыта, и сосуд заполняют насыпным грузом, далее задвижку перемещают и образуются щель. После того как небольшая партия груза, находящегося непосредственно над щелью высыплется из сосуда, внутри сосуда образуется свод. Задвижку открывают постепенно до тех пор, пока не будет достигнута ширина щели обеспечивающая свободное вытекание груза без образования устойчивых сводов.
Начальное сопротивление сдвигу растёт также при повышении плёночный влажности мелкофракционных грузов и особенно при верхнем пределе плёночной влажности, когда начальное сопротивление влажного груза во много раз больше, чем начальное сопротивление того же груза в сухом состоянии. Хорошо сыпучие грузы, содержащие мелкие фракции приобретают при увлажнении начальное сопротивление сдвигу равное 400 Паскалей и более.
Если груз не содержит мелких фракций, например пылевидный или порошкообразный груз, то увлажнение не вызывает повышения связанности.
Объёмной массой насыпного груза называется масса вещества, содержащегося в единице объёма, занимаемого этим продуктом. Различается объёмная масса при свободной насыпи груза и уплотнённая насыпная масса насыпного груза. При свободной насыпке объёмную массу определяют с помощью мерного сосуда со штырем, вокруг которого может поворачиваться рамка. Высота сосуда равна двум его внутренним диаметрам, а высота рамки равна 1/3 высоты сосуда.
При определении объёмной массы кусковых грузов диаметр сосуда должен не менее, чем в 10 раз превышать размер кусков груза. Поворотную раму устанавливают таким образом, чтобы её стенки являлись продолжением стенок сосуда. Далее засыпается насыпной груз до верха рамки сосуда, которая поворачиваясь вокруг штыря, производит срез излишков насыпного груза. Далее оставшийся в сосуде материал взвешивают, и определяется объёмная масса по соответствующей формуле.
Для определения объёмной массы динамически уплотнённого насыпного груза на вибрационный стол устанавливают мерный сосуд, который заполняется грузом до верха рамки. При включении вибрационного стола уровень насыпного материала в рамке постепенно понижается. В рамку добавляют насыпной груз до тех пор, пока понижение уровня полностью не прекратится. Далее вибрационный стол выключается, и поворотом рамки производится средств излишка груза.
В дальнейшем действия в точности такие же, как и при определении объёмной массы при свободной насыпке. Отношения объёмной массы динамически уплотнённого груза к объёмной массе при свободной насыпке называется коэффициентом уплотнения.
Плотностью насыпного груза называется средняя плотность, или иначе удельная масса его твёрдых частиц. Для определения плотности взвешивают порцию насыпного груза и смешивают её с определённым объёмом жидкости, смачивающей, но не растворяющий груз. Далее определяется объём полученной суспензии. Плотность определяется по существующей формуле отношением массы порции груза к разности между объёмом суспензии и объёмом жидкости.
Внешнее трение определяется как сопротивление насыпных грузов перемещению относительно поверхности твёрдых тел и характеризуется коэффициентом внешнего трения. Этот коэффициент определяет с помощью трибометра.
Следующим показателем, описывающим характеристики насыпного груза, является липкость. Влажные мелкофракционные грузы прилипают к стенкам бункеров в результате молекулярного взаимодействия плёнок жидкости, которые покрывают частицы насыпного груза с материалом стенок сосуда. В некоторых случаях липкостью обладают и сухие материалы, например, мел липнет к дереву, тальк и сера к стали.
Следующим показателем насыпных грузов является коррозийность. Влажные насыпные грузы, например песок, зола, а также некоторые сухие грузы химические взаимодействующие с материалом стенок способны вызывать коррозию стенок бункеров, в которых производится их хранение. Такое воздействие называется коррозийностью материала. К таким материалам относится селитра аммиачная, солод, соль поваренная и прочие подобные грузы.
Насыпные грузы истирающие стенки спускных лотков и бункеров, а также рабочие органы затворов и питателей называются абразивными. Абразивность является важной характеристикой насыпных грузов, влияющей на выбор конструкции оборудования. К таким грузам относится апатитовый концентрат, боксит, бура, зола, оксиды алюминия и кремния, руда, формовочная земля, цемент и прочие материалы.
Умеренно абразивными являются каменный уголь и зерно. К не абразивным относятся картофель и прочее подобные грузы, однако загрязнение их землёй и песком делает их также абразивными.
Следующей характеристикой насыпного груза является хрупкость. К хрупким относятся насыпные грузы, частицы которых легко подвергаются дроблению и разрушению в процессе их транспортировки, а также во время выгрузки и погрузки. К хрупким грузам относится антрацит, семенное зерно и прочие подобные материалы.
Самовозгораемость сыпучего груза — это свойство некоторых продуктов загораться под действием тепла, которое выделяется в них при протекании в них химических процессов. К таким грузам относится влажный уголь, опилки, сера, а также промышленные металлические опилки и прочие подобные материалы.
Следующей характеристикой насыпного груза является взрывоопасность. Кроме собственно взрывчатых веществ, таких как порох, к взрывоопасным относятся грузы, которые выделяют пыль, способную привести к взрыву. К таким грузам относится крахмал, мука, опилки древесные, зерно, уголь и многие прочие. Кроме того к взрывоопасным относятся грузы, образующие взрывчатые смеси с другими материалами. К таким грузам относится селитра, бертолетова соль и прочие подобные грузы.
Следующей характеристикой является гигроскопичность. Грузы склонные впитывать атмосферную влагу, такие как соль, селитра, опилки и прочие подобные грузы носят название гигроскопических.
Следующей характеристикой грузов является ядовитость. Кроме определённо ядовитых грузов, таких как свинцовые белила, натрий и прочие подобные грузы, к вредным для здоровья рабочих, которые производят обслуживание оборудования, относятся пылящиеся грузы. Возникающая во время транспортировки пыль способна вызывать заболевание глаз, органов дыхания, а также нервной системы. К таким грузам относится известь хлорная, криолит пылевидный, цемент, мука и прочие подобные грузы.
