Diese Seite erklärt schrittweise, wie die Fließeigenschaften eines Pulvers aus einer Reihe von Scherzellen-Experimenten bestimmt werden.

Worum es geht

Wie misst man die Fließfähigkeit von Pulvern?

Es gibt verschiedene Methoden zur Charakterisierung der Fließfähigkeit von Pulvern. Viele Verfahren sind eher empirisch und geben eine "Idee" statt einer quantitativen Bewertung der Fließfähigkeit. Der einzige anerkannte Test zur Erzeugung von Fließfähigkeitsdaten, die für die Auslegung einer Anlage verwendet werden können, ist der Einsatz einer Scherzelle. Diese Methode wird auch als Jenike-Methode bezeichnet – benannt nach Andrew Jenike, der die Scherzellen-Prüfung entwickelte. Sie ermöglicht die Berechnung folgender Eigenschaften:

• Innerer Reibungswinkel
• Materialfließfunktion (MFF) des Pulvers
• Wandreibungswinkel

Diese können dann zur Auslegung von Trichtern verwendet werden, um Massenfluss (keine Fließblockaden, keine Totzonen im Trichter) mit der auf dieser Seite beschriebenen Methode zu gewährleisten: Link

Die folgenden Abschnitte beschreiben den Begriff der Pulverfließfähigkeit, der tatsächlich verschiedene Schütteigenschaften abdeckt:

• Kohäsionsfestigkeit
• Wandreibungswinkel

Es wird ebenfalls erklärt, wie diese Eigenschaften praktisch mit einem Scherprüfgerät bestimmt werden können.

1. Jenike-Methode: Scherzellen-Prüfgerät

Scherzellen

Das Scherprüfgerät oder die Scherzelle ist ein Pulverfließfähigkeits-Prüfgerät, mit dem wichtige rheologische Pulvereigenschaften wie die Kohäsionsfestigkeit und die Wandreibung bestimmt werden können. Diese können wiederum zur Berechnung von Trichterauslassdurchmessern und Austrittswinkeln verwendet werden.

Es müssen zwei Schertests durchgeführt werden, um die Eigenschaften zu bestimmen. Ein Test dient zur Messung des inneren Reibungswinkels ; zur Bestimmung dieser Eigenschaft misst die Testzelle die Kraft, die erforderlich ist, um das Pulver auf SICH SELBST gleiten zu lassen. Andererseits wird der Wandreibungswinkel mit einer Zelle bestimmt, die die Kraft misst, die erforderlich ist, um eine Pulverprobe auf einer MATERIALPLATTE gleiten zu lassen. Das Material ist in der Regel das Metall, aus dem der Silo gebaut wird.

Abbildung 1: Jenike-Zellen

Der Test wird nach einem Vorscher-Schritt durchgeführt, der dem Pulver vor dem Aufbringen der Normalspannung und der Scherspannung eine bestimmte Dichte verleiht. Diese Vorscherung kann variiert werden, was zu unterschiedlichen Ergebnissen führt. Diese unterschiedlichen Ergebnisse werden verwendet, um verschiedene Fließortkurven zu zeichnen und anschließend verschiedene Pulvereigenschaften zu berechnen (siehe unten).

Hinweis: Es ist möglich, einen solchen Test mit speziellen Scherprüfgeräten durchzuführen, aber auch Pulverrheometer können diese Art von Test durchführen, indem eine Scherzelleneinheit an ihrem Rührwerk montiert wird.

2. Welche Ergebnisse liefert ein Scherzellen-Test?

Folgende Pulvereigenschaften können aus dem erhaltenen Diagramm (genannt "Fließortkurve") bestimmt werden:

Tabelle 1: Ergebnisse der Scherzellen-Prüfung

Scherprüfgerät	Direkte Bestimmung	Berechnet
Scherzelle zur Messung der Wechselwirkung zwischen Material und Pulver	Wandreibungswinkel Φ'	-
Scherzelle zur Messung der Pulver-Pulver-Wechselwirkung	Effektiver innerer Reibungswinkel δ Statischer innerer Reibungswinkel Φ Hauptkonsolidierungsspannung (oder Verdichtungsspannung) σ1 Kohäsionsfestigkeit fc (auch als uniaxiale Fließspannung UYS bezeichnet)	Materialfließfunktion (durch Auftragen der Paare UYS und σ1, die bei unterschiedlichen Vorscherungen erhalten werden)

3. Jenike-Methode: Schritt-für-Schritt-Anleitung

SCHRITT 1 – Testdurchführung

Auf eine Pulverprobe wirken zwei Kräfte: eine normale, die schrittweise erhöht wird, und eine seitliche (Scherkraft). Die zweite Kraft wird gemessen und entspricht der Kraft, die erforderlich ist, um die Materialprobe zum Gleiten zu bringen.

Jedes Paar (Normalspannung; Scherspannung) wird aufgezeichnet und anschließend aufgetragen. Aus dieser Kurve können verschiedene rheologische Pulvereigenschaften berechnet werden. Die erhaltene Grafik, Fließortkurve genannt, ist unten dargestellt (Beispiel – kein reales Pulver).

SCHRITT 2 – Zeichnen der Fließortkurve

Pulver-Pulver-Wechselwirkung

Für eine gegebene Vorspannung wird die Fließortkurve aus den Daten gezeichnet, die aus der Zelle zur Prüfung der Pulver-Pulver-Wechselwirkungen gewonnen wurden. Die inneren Reibungswinkel und die Hauptkonsolidierungsspannung können dann geometrisch bestimmt werden.

Abbildung 2: Daten aus der Fließortkurve der Pulver-Pulver-Scherzelle

Pulver-Material-Wechselwirkung

Zeichnen Sie die Fließortkurve aus den Daten, die aus der Zelle zur Prüfung der Pulver-Material-Wechselwirkungen gewonnen wurden. Der Wandreibungswinkel Φ' wird dann grafisch bestimmt.

Abbildung 3 : Daten aus der Fließortkurve des Pulvers – Material-Scherzelle

SCHRITT 3 – Berechnung der Fließfunktion

Die Fließortkurve wird entsprechend einem anfänglichen Verdichtungszustand ermittelt. Es ist möglich, den anfänglichen Verdichtungszustand zu variieren. Durch das Zeichnen verschiedener Fließortkurven bei unterschiedlichen anfänglichen Verdichtungen ergibt sich die Grundlage zur Bestimmung der Fließfunktion des Pulvers. Ein illustratives Beispiel mit 3 Fließortkurven ist unten dargestellt.

Abbildung 4 : Grafische Bestimmung der Pulver-Fließfunktion

Aus den 3 verschiedenen Fließortkurven können 3 Wertepaare (Hauptverdichtungsspannung σ₁; Kohäsionsfestigkeit f_c) berechnet werden. Anschließend kann ein Graph mit f_c = f(σ₁) gezeichnet werden. Dies ist die Material-Fließfunktion des getesteten Pulvers (nicht zu verwechseln mit dem Fließfaktor ff). Die Fließfunktion liefert entscheidende Informationen über das Verhalten des Pulvers und ist zuverlässiger als vereinfachte Methoden wie der Schüttwinkel oder bestimmte Indizes. Im Beispiel werden nur 3 Wertepaare betrachtet, in der Praxis werden jedoch mehr verwendet, um die tatsächliche Fließfunktion zu ermitteln. Der Graph kann in verschiedene Bereiche unterteilt werden, indem Geraden durch den Ursprung mit der Steigung i = (σ₁)/f_c gezogen werden. Die unterschiedlichen Werte von i geben Aufschluss über die Fließfähigkeit. Je nach Position der Fließfunktion im Graphen lässt sich die Fließfähigkeit des Pulvers bestimmen.

Abbildung 5 : Pulver-Fließfunktion und Fließfähigkeit von Pulvern

Abhängig von der Form des Graphen kann bestimmt werden, ob das Pulver kohäsiv ist oder nicht.

Abbildung 6 : Typische Material-Fließfunktionen (MFF)

Am Ende der Prüfung mit Jenike-Scherzellen (oder vergleichbarer Prüfeinrichtung) wurden folgende rheologischen Pulvereigenschaften bestimmt:

• Winkel der inneren Reibung
• Pulver-(Material-)Fließfunktion (MFF)
• Wandreibungswinkel

Hinweis: Anschließend kann bestimmt werden, wie das Pulver aus einem gegebenen Trichter (oder bei der Trichterauslegung) fließt, indem die mit dem Trichterdesign verknüpfte Fließfunktion ff ermittelt und eine Gerade mit der Steigung 1/ff in die Material-Fließfunktion (MFF) eingezeichnet wird. Fließt das Pulver, wenn die Gerade mit der Steigung 1/ff oberhalb der MFF liegt, sind bei einer Position darunter Brückenbildungen zu erwarten, und der Fluss wird erschwert. Weitere Informationen zur Trichterauslegung finden Sie hier.

Abbildung 7 : Fließfunktion und Material-Fließfunktionen zur Berechnung der kritischen angelegten Spannung