Приемы, с помощью которых природные материалы из своего естественного состояния могут быть превращены в порошки, известны людям с незапамятных времен. Не будет преувеличением сказать, что некоторые особенно значимые в истории человечества открытия сделаны благодаря порошкам и технике их производства. Так, для получения хлебопекарной муки были изобретены жернова, в то время как более прочные материалы размалывались ударами пестов или давлением вращающихся валков.
Древние мастера путем механического воздействия научились создавать устойчивые двухфазные системы, состоящие из воздуха и твердых частиц, сила притяжения между которыми соизмерима с их массой. Подобные структуры характеризуются с одной стороны большой площадью поверхности твердой фазы, а с другой - возможностью беспрепятственного контакта газовых или жидких сред с этими поверхностями. Собственно говоря, в этом и заключается польза от применения порошков – химические процессы активизируются за счет увеличения площади контактной поверхности и улучшения условий для их протекания. Так как площадь поверхности, являясь двухмерным показателем, увеличивается с уменьшением объема (размеров) трехмерных частиц, качество порошков традиционно оценивалось по наличию в их массе крупных включений, почти не добавляющих удельной поверхности, а потому бесполезных. Делалось это по старинке на ощупь, а по мере развития технологии производства порошков - просеиванием через сита.
Частицы, оставшиеся на поверхности сита, сегодня мы называем верхним классом, а прошедшие через ячейки, нижним классом крупности. Независимо от типа устройства механического сита или аэродинамического классификатора с одной границы разделения можно получить всего два класса крупности. Так, если в корпусе вибрационного сита установлена сетка с размером ячеек, например, 200 микрон, при разделении будет получено два вида порошка. Один - нижнего класса крупности с размерами частиц меньше 200 микрон, а второй - верхнего класса крупности, в котором размеры частиц превышают 200 микрон.
Понятно, что рассев по одной границе разделения не позволяет с высокой точностью спрогнозировать технологические качества порошков, так как отсутствие в них частиц размерами больше 200 микрон не дает представления о содержании более мелких частиц, которые в основном и влияют на показатели удельной поверхности. Однако, пока порошки использовались преимущественно в химических процессах, острой необходимости в изучении их реального зернового состава, как правило, не возникало.
Понимание того факта, что зерновой состав порошков оказывает ключевое влияние на плотность, а с ней и прочность материалов, в состав которых они входят, произошло по историческим меркам относительно недавно. Конечно, нельзя сказать, что технология производства искусственных материалов плотной структуры путем рационального подбора зернового состава компонентов является сугубо современным изобретением, достаточно вспомнить опус цементум - римский бетон, широко применявшийся античными строителями. Но из-за отсутствия научной базы, такой подбор на протяжении тысячелетий оставался «темным» искусством, которым владели лишь немногие мастера.
Научную методику подбора зернового состава смесей разработал наш соотечественник, русский архитектор Борис Николаевич Николаев, который в 1914 году в своей работе «Состав растворов и бетонов исходя из размеров и формы материалов», проанализировав геометрическую структуру пространства, заполненного частицами разных размеров, установил, что если зерновой состав смеси подобрать таким образом, чтобы частицы меньшего размера разместились в промежутках между более крупными зернами, не раздвинув их, плотность упаковки, а с ней и прочность материала может быть значительно увеличена.
Прошли десятилетия, прежде чем методы формирования макроструктуры материалов высокой плотности, путем рационального подбора их гранулометрического состава нашли применение и на микроуровне, в порошках так называемой «прерывистой» гранулометрии. Для развития технологий, появившихся в процессе научно-технической революции, требовались новые конструкционные материалы, обладающие большой плотностью и что особенно важно, прочностью по сравнению с природными. В результате, область применения порошков сместилась от преимущественно химических к физико-химическим процессам, и к их зерновому составу стали предъявляться новые требования, одним из которых является фракционирование.
Что же такое фракция порошка? Третье издание Большой Советской Энциклопедии во втором определении трактует понятие фракции, как части сыпучего или кускового твёрдого материала (например, дроблёной горной породы, песка, порошка), либо жидкой смеси (например, нефти), выделенной по определённому признаку. Применительно к порошкам таким признаком обычно является размер частиц, но разделенных не по одной, как в классах крупности, а по двум границам. Приведу пример: в корпусе вибрационного сита друг над другом установлены две сетки, верхняя с размером ячеек 200, а нижняя 100 микрон. В результате рассева получено три образца порошков. Тот, что остался на сетке 200 микрон является верхним классом крупности, тот, что прошел через ячейки 100 микрон – нижним классом, а третий образец, состоящий из частиц, прошедших верхнюю сетку, но оставшихся на нижней, будет называться фракцией минус 200, плюс 100 микрон. Попросту говоря, в таком порошке отсутствуют как слишком крупные частицы, так и чересчур мелкие.
Области применения фракционированных порошков весьма разнообразны, но, наиболее широко они используются в технологиях, требующих либо высокой плотности укладки компонентов, либо контролируемой пористости смесей. Несмотря на диаметральную противоположность этих задач, решаются они, как правило, за счет так называемых «прерывистых» укладок, для составления которых и нужны фракционированные порошки.
Однако, несмотря на все преимущества, в современных «порошковых» технологиях, особенно крупнотоннажных, фракции используются реже, чем классы крупности. Почему? Ответ прост, из-за высокой стоимости аппаратного оформления производственного процесса. Если для получения нижнего класса крупности, который часто и является товарным продуктом, нужна всего одна граница разделения и соответственно один классификатор, то для производства фракционированного порошка их требуется как минимум два. Конечно, известны многопродуктовые аппараты, в которых формируются три и более, потоков порошков, но на практике они зарекомендовали себя как весьма «капризное» и малоэффективное оборудование. Ситуацию с многопродуктовыми классификаторами прекрасно охарактеризовали Вадим Евгеньевич Мизонов и Станислав Геннадьевич Ушаков в своей книге «Аэродинамическая классификация порошков»: «Вопрос о критериальной оценке эффективности многопродуктового разделения до сих пор остается открытым…». И хотя эти слова были сказаны в далеком 1989 году, на сегодняшний день они по-прежнему актуальны. Это подтверждает и тот факт, что даже признанные мировые лидеры в производстве «порошковых» классификаторов, для получения фракций, предлагают каскады, состоящие из отдельных аппаратов, каждый из которых работает по одной границе разделения. И если эффективность такого каскада не вызывает вопросов, его стоимость, как правило, значительно выше, чем у двух отдельных классификаторов!
О том, как нам все же удалось создать многопродуктовый классификатор «ФРАКЦИТРОН», принципиально новой конструкции, сочетающий возможность разделения порошков на фракции с относительно невысокой стоимостью, я расскажу в следующей статье.
Ген. директор завода «ТЕХПРИБОР» Александр Борисович Липилин.
