Er zijn de laatste vijftig jaar veel artikelen verschenen over de wijze waarop en testapparatuur waarmee diverse eigenschappen van stortgoed kunnen worden gemeten Welke eigenschappen in een bepaald geval moeten worden gemeten hangt af van het doel waarvoor de gevonden gegevens worden gebruikt Opslagmeten Over het meten van stortgoedeigenschappen Meten is weten maar weet wat je meet Er zijn de laatste vijftig jaar veel artikelen verschenen over de wijze waarop en testapparatuur waarmee diverse eigenschappen van stortgoed kunnen worden gemeten Welke eigenschappen in een bepaald geval moeten worden gemeten hangt af van het doel waarvoor de gevonden gegevens worden gebruikt Ir Gerard Haaker en Ir Piet van der Kooi In sommige gevallen gaat het bij het meten om gegevens voor het ontwerpen van opslag en transportmaterieel De ene keer alleen als een vorm van kwaliteitscontrole de andere keer om vast te stellen welke van een aantal materialen de slechtste loopeigenschappen heeft Daarnaast zijn vaak gegevens nodig als input van modelberekeningen waarmee het gedrag van het stortgoed in procesapparatuur kan worden voorspeld Wanneer materiaal door een silo stroomt zal er op een gegeven moment ook beweging in het materiaal zelf moeten plaatsvinden In het cilindrisch deel van de silo zakt het nog wel als een blok naar beneden maar eenmaal in de trechter moet het materiaal vervormen om door de steeds nauwer wordende doorgang te stromen Dan blijkt dat in het materiaal in specifieke richtingen diverse glijvlakken ontstaan van langs elkaar schuivende lagen We zeggen in dit geval dat het materiaal bezwijkt dan wel stroomt Of dit inderdaad gebeurt met andere woorden of het materiaal echt door de trechter wil stromen hangt enerzijds af van de krachten of beter spanningen die op het materiaal werken en anderzijds van de eigen sterkte van het product Wanneer deze eigen sterkte te groot is zal er geen beweging in het materiaal optreden en stroomt de silo dus niet of niet meer Eigen sterkte Om een voorstelling te krijgen van wat met eigen sterkte wordt bedoeld vergelijken we het proces met dat van een sneeuwbal Wanneer we een handje sneeuw nemen kunnen we daar een bal van maken door de sneeuw samen te persen Hoe harder we persen hoe sterker ook de sneeuwbal zal worden en hoe meer moeite het zal kosten om de bal weer te vervormen of stuk te krijgen De meeste cohesieve stortgoederen gedragen zich in een silo net zo Door de drukken in de Solids Processing Nr 5 november 2008 00 00 Solids Processing Nr 5 november 2008 waarden van Ns moeten worden herhaald Omdat voor het beschrijven van het bezwijkgedrag vaak drie bezwijklijnen bij verschillende waarden van Npr moeten worden gemeten lijkt evident dat voor dit soort metingen nogal wat tijd nodig is Wandwrijving Ook de wandwrijving kan met deze tester worden gemeten Hiertoe wordt op de onderbak een plaatje van het te onderzoeken wandmateriaal aangebracht waarop de bovenring met stortgoed komt te liggen zie figuur 3 Via het deksel en het gewichtsjuk wordt het monster met een verticale kracht Nx belast en vervolgens over de testplaat geschoven De benodigde afschuifkracht zal hierbij meestal snel een constante waarde Sx bereiken De normaalkracht Nx wordt nu in een aantal stappen verlaagd waarbij steeds de bijbehorende waarde van Sxwordt gemeten De gevonden combinaties N x S x of beter de hieruit te berekenen spanningen 963x 964 x zijn punten van de zogenaamde wandbezwijklijn wall yield locus die het wrijvingsgedrag tussen wand en stortgoed beschrijft Het meten van de wandbezwijklijn gaat aanmerkelijk sneller dan het meten van een inwendige bezwijklijn omdat meestal in een lange meting een complete wandbezwijklijn kan worden gemeten Door de altijd optredende spreiding in de meetresultaten wordt in de praktijk meestal een tweede meting uitgevoerd Nadelen Hoewel de Jeniketester een veel gebruikt apparaat is met een duidelijk beschreven standaard meetprocedure is er in de laagd tot een waarde N s en de afschuiving voortgezet De bijbehorende schuifkracht S zal nu een maximumwaarde Ss bereiken en daarna afnemen figuur 2b De waarden Nsen Sscq 963 s 964 s geven een situatie van beginnend bezwijken weer en leveren een punt van de bezwijklijn op Tevens wordt in elke test de hoeveelheid stortgoed in de meetcel gewogen Samen met de bekende celinhoud levert dit de bij de bezwijklijn horende dichtheid van het materiaal op Voor het meten van een gehele bezwijklijn zal de totale meetprocedure met steeds verse monsters bij dezelfde waarde van Npr doch ten minste drie verschillende ca 100mm hoogte ca 15mm waarop een bovenring wordt gezet met dezelfde afmetingen Dit geheel wordt laagsgewijs gevuld met het te meten stortgoed Tijdens de vulprocedure wordt op de bovenring nog een extra vulring geplaatst en wordt het materiaal wat voorverdicht Daarna wordt de vulring verwijderd het teveel aan materiaal afgeschraapt en een bovendeksel aangebracht die met een juk waarop gewichten staan wordt belast met een normaalkracht Npr Via een mechanische aandrijving wordt vervolgens de bovenring met materiaal verschoven ten opzichte van de onderbak zodat een horizontaal afschuifvlak in het monster ontstaat op het scheidingsvlak van bak en ring De voor het afschuiven benodigde schuifkracht S zal hierbij aanvankelijk toenemen Maar bij het bereiken van voldoende verplaatsing neemt deze een constante waarde Spr figuur 2a aan Het monster bevindt zich nu in de steady state bezwijkconditie waarbij spanningen 963 pr 964 pr en dichtheid constant blijven Deze situatie geeft het eindpunt van de bijbehorende bezwijklijn weer NB De bijbehorende normaal en schuifspanningen 963 en 964 kunnen worden berekend door de krachten N en S te delen door het bekende dwarsoppervlak van de testcel Vervolgens wordt de normaalkracht vergewerkt de grootste hoofdspanning 963 1 die behoort bij het eindpunt van de lijn Dit eindpunt geeft de situatie aan van continu bezwijken steady state conditie overige punten van de lijn geven het begin van bezwijken weer Verdere grootheden die van een bezwijklijn kunnen worden afgeleid zijn de inwendige wrijvingshoek 966 i en de effectieve inwendige wrijvingshoek 966 e Een andere belangrijke grootheid is de wandwrijving die het verband tussen normaal en schuifspanning aangeeft wanneer een stortgoed langs de wand beweegt Ook deze waarde is vaak wat drukafhankelijk Bij sommige combinaties van stortgoed en wand treedt een verschil in wandwrijving op bij continu bewegen dynamische wrijving en het op gang komen van de beweging statische wrijving Beide waarden zullen dan moeten worden gemeten Meetapparatuur In de praktijk worden twee soorten testers gebruikt om de bezwijklijnen van een stortgoed te meten Het oudste en tot nu toe nog het meest gebruikte type is de zogenaamde Jenike sheartester een translerend afschuifapparaat dat is afgeleid van in de grondmechanica gebruikte apparatuur Wat modernere uitvoeringen zijn roterende sheartesters waarvan de Schulzeringsheartester en de Peschltester de standaarduitvoeringen zijn De Jenike sheartester Het principe van de Jenike tester is weergegeven in figuur 2 Het apparaat bestaat uit een vaste onderbak diameter silo wordt de samenhang van het materiaal sterker Hoe hoger deze drukken hoe hoger ook de eigen sterkte van het stortgoed Waar we in het geval van een silo echt in geinteresseerd zijn is de eigen sterkte van het materiaal wanneer het een obstructie voor het stromen dreigt te vormen Bij massastroming is dit het geval wanneer stabiele stortgoedbruggen in de conus worden gevormd Bij kernstroming is dit de vorming van een stabiele schacht In beide gevallen wordt de eigen sterkte van het materiaal in de mogelijke obstructie weergegeven door de ongesteunde druksterkte 963p unconfined yield strength Deze druksterkte is ook weer afhankelijk van de druk waaronder het materiaal heeft gestaan in casu de grootste hoofdspanning 963 1 Het verband tussen 963 1 en 963p wordt meestal aangeduid met de flowfunctie FF en is dus een belangrijke grootheid die moet worden gemeten Hoewel het in principe mogelijk is punten van deze flowfunctie rechtstreeks te meten bestaat er geen standaardapparatuur die dit mogelijk maakt In plaats daarvan wordt de flowfunctie in de praktijk afgeleid van een serie zogenaamde bezwijklijnen yield loci die wel met standaardapparatuur kunnen worden gemeten Een voorbeeld van een bezwijklijn BL is aangegeven in figuur 1 Deze lijn geeft de relatie tussen normaalspanning 963 en schuifspanning 964 waarbij beweging langs glijvlakken in het materiaal mogelijk is Bij cohesieve materialen zijn de bezwijklijnen meestal wat gekromd en bestaat er een eindpunt van de lijn Ook een dergelijke bezwijklijn is weer afhankelijk van de spanning die op het materiaal heeft g Invloed van vocht temperatuur druk en tijd E M BL BL C T T St Sp 966i Ye Sl S weg weg a Preshear b Shear T pr T s T pr Spr T pr Spr Figuur 2 Principe Jenikesheartester en testfases Figuur 1 Bezwijklijn BL van een cohesief stortgoed met afgeleide grootheden Normaalkracht Nx deksel bovenring testplaat onderbak Schuifkracht Sx Figuur 3 Jenikesheartester bij meting van de wandwrijving Opslagmeten Meten is weten maar weet wat je meet praktijk toch een aantal problemen De belangrijkste hiervan zijn de vaststelling wanneer het testmonster precies de steady state fase heeft bereikt is soms lastig en ook de constructie van de bezwijklijn door de gemeten punten ligt niet altijd eenvoudig Dit is in de praktijk ten dele op te lossen door de meetsignalen rechtstreeks aan een computerprogramma toe te voeren de totale afschuifweg van de bovenring is maximaal 6mm Bij verdere afschuiving ligt de ring te excentrisch tov de onderbak en worden de resultaten onbetrouwbaar Binnen deze 6mm is het soms nauwelijks mogelijk om zowel een steady state als een bijbehorend beginbezwijken te realiseren Kunstgrepen zijn dan nodig om toch een redelijk betrouwbare meting te krijgen de afmeting van de meetcel van ca 100mm maakt dat het apparaat niet geschikt is voor metingen aan materialen met deeltjes groter dan ca 4mm In de praktijk is dit geen echt bezwaar omdat deze grote deeltjes niet de sterkte van een materiaal bepalen zodat deeltjes groter dan 4mm meestal zonder bezwaar kunnen worden uitgezeefd Soms worden ook wel grotere cellen toegepast wanneer materialen met zeer veel grote deeltjes moeten worden gemeten De roterende sheartesters De meest gebruikte ringsheartester is de Schulze tester waarvan het principe is aangegeven in figuur 4 Het te testen Solids Processing Nr 5 november 2008 00 00 Solids Processing Nr 5 november 2008 Gedetailleerd De hierboven beschreven testers worden in het algemeen alleen gebruikt in de wat grotere bedrijfslaboratoria dan wel bij consulting firmas die zich hierin hebben gespecialiseerd Aanschaf van deze testers heeft eigenlijk alleen zin wanneer er voldoende emplooi voor deze apparatuur is zodat er ook een redelijke knowhow inzake het gebruik kan worden opgebouwd De meetprocedures zijn zeer gedetailleerd beschreven en als standaardtests ondermeer opgenomen in de Astmcodesn continue afschuiffase steady state het monster gedurende de gewenste tijd onder dezelfde belasting te laten staan en pas daarna bij lagere belasting een punt van beginbezwijken te meten Dit gebeurt meestal in een zogenaamde tijdconsolidatiebank figuur7 waar meerdere cellen gedurende verschillende tijden kunnen worden belast Om te voorkomen dat het vochtgehalte tijdens deze langere belasting verandert worden de cellen zonodig met een plastic kap vochtdicht afgesloten van boven en onderbak Uit de verticale belasting en het gemeten moment dat nodig is voor de rotatie van de onderbak kunnen de spanningen in het afschuifvlak worden berekend De wandwrijving kan worden gemeten door op de onderbak een testplaatje aan te brengen zodat bij rotatie dan afschuiving langs deze testplaat optreedt Met de Peschl tester kunnen in principe dezelfde grootheden worden gemeten als met de andere testers Ook deze tester kent verschillende uitvoeringen qua grootte Het bezwijkgedrag beinvloeden Voor alle bovengenoemde testers geldt dat de te meten grootheden door een aantal parameters worden beinvloed De belangrijkste hierbij zijn de korrelgrootte en verdeling de temperatuur en het vochtgehalte van het materiaal Betrouwbare monsters moeten de condities van het te sileren materiaal zo goed mogelijk weergeven Zo nodig moet hiervoor ook de meetapparatuur qua temperatuur en grootte worden aangepast en het vochtgehalte van de testmonsters geregeld worden gecontroleerd Een apart element is de invloed van de tijd op het gedrag van stortgoed Wanneer een stortgoed gedurende enige tijd onder druk staat zal vaak de bijbehorende eigen sterkte aanzienlijk groter worden Dit is de reden van het maandagochtendgedrag van silos die na een weekendje stilstand niet of moeilijk op gang zijn te krijgen Met dit tijdsgedrag moet dus ook tijdens de metingen rekening worden gehouden Dit gebeurt in de praktijk door na de Toch zal ook hier het testmonster geregeld moeten worden ververst omdat tijdens de meting altijd een zekere mate van slijtage degradatie of segregatie van het materiaal kan optreden De wandwrijving wordt bij deze tester gemeten door in de annulaire ruimte van de onderbak een aantal opvulringen aan te brengen waarop een ringvormig plaatje van het te testen wandmateriaal wordt bevestigd zie figuur 5 Op deze testplaat komt een ca 8mm dik laagje stortgoed te liggen met daar op het belaste ruwe bovendeksel Door rotatie van de onderbak met de testplaat en vasthouden van het stortgoed door het bovendeksel vindt afschuiving plaats van het stortgoed langs de testplaat Van de Schulze tester zijn een aantal uitvoeringen beschikbaar die kunnen verschillen in celgrootte en de mate waarin de apparatuur is geautomatiseerd enof computergestuurd Een beeld van een kleine tester waarbij voor een meting slechts een hoeveelheid testmateriaal van 30 ml voldoende is geeft figuur 6 De Peschl tester heeft een wat andere uitvoering Hij bestaat in principe uit een ronde onderbak met daarboven een even grote bovenbak Het geheel wordt gevuld met het te testen stortgoed en belast via een ruw bovendeksel Door rotatie van de onderbak en het vasthouden van bovenbak en deksel ontstaat een afschuifvlak in het materiaal op het scheidingsvlak materiaal is hier opgesloten in een annulaire ruimte van een draaibare onderbak Op het materiaal wordt een deksel geplaatst met een zeer ruwe onderkant die belet dat het materiaal langs het deksel kan schuiven Door nu de onderbak met materiaal te roteren en het deksel vast te houden wordt in het materiaal weer een afschuifvlak gevormd De normaalkracht N op dit afschuifvlak volgt uit de belasting van het deksel de afschuifkracht S wordt bepaald door de krachten te meten die nodig zijn om het deksel vast te houden Met een roterende sheartester worden in principe dezelfde metingen uitgevoerd als met de Jeniketester Alleen is hierbij de rechtlijnige verplaatsing vervangen door een rotatie Het gevolg hiervan is dat er nu in feite een onbeperkte afschuifweg is in tegenstelling tot de 6mm bij de Jeniketester Dit biedt in de praktijk twee voordelen De eerste is dat er altijd ruimte genoeg is om zowel een steady state als een beginbezwijken te realiseren Maar ten tweede kan met dezelfde vulling van de tester een aantal tests achter elkaar worden uitgevoerd Direct na elk punt van beginbezwijken kan immers de belasting weer worden verhoogd en een nieuwe steady state worden bereikt gevolgd door een nieuwe meting ca 8 mm opvulringen onderbak meenemer testplaat E F B A C shear cell type S D Figuur 4 Principe van de Schulzetester Figuur 5 Schulze testcel zoals gebruikt voor meting van de wandwrijving In dit en een volgend verhaal wordt ingegaan op de meest gangbare meetmethoden de bijbehorende testers en wat je met de gevonden getallen wel of niet kunt doen We beperken ons hierbij tot testers waarvan de resultaten direct bruikbaar zijn voor toepassing in de praktijk De meer geavanceerde apparatuur zoals bijvoorbeeld de true biaxial tester zijn meer bedoeld voor algemene research naar het gedrag van stortgoed en vallen buiten de scoop van deze artikelen Deze eerste aflevering handelt over apparatuur en methoden waarmee een tamelijk compleet beeld van het bezwijkgedrag van een materiaal wordt verkregen Deze gegevens zijn nodig om een qua sterkte en werking betrouwbare silo te kunnen ontwerpen In een volgend artikel zal de nadruk meer liggen op veelal simpelere testmethoden waarmee een beperkt aantal specifieke grootheden kan worden gemeten of een algemene indruk van het stromingsgedrag kan worden gekregen Figuur 6 Schulzetester RSTXS ontwikkeld voor zeer kleine testmonsters Figuur 7 Tijdconsolidatiebank Schulzetester A gewichten B blokkeerschroeven C plastic afdekkap D belastingstang E celplaatsen F centreerpunten

Solids Processing Fluids Processing MB Maintenance SchuettgutPortal

Nieuwsbrief archief

Linked

Abonneren

ContactDisclaimerPrivacyAdverteren