1.3.3. Характеристики крупности

Характеристикой крупности называется графическое изображение гранулометрического состава сыпучего материала.

Характеристики крупности строят в прямоугольной системе координат: частные – по выходам отдельных классов и суммарные (кумулятивные) – по суммарным выходам классов. При построении частной характеристики по оси абсцисс откладывают величины отверстий сит, применявшихся при ситовом анализе, а по оси ординат – выхода соответствующих классов в процентах. Ординаты, определяющие выхода отдельных классов, строят на меньшем или на большем из диаметров, ограничивающих данный класс, или на диаметре, равном среднеарифметической величине двух крайних диаметров. Полученные точки соединяют прямыми линиями.

По выходам отдельных классов можно также построить график, называемый в статистике столбиковой диаграммой. Последняя составляется из прямоугольников, высота которых пропорциональна выходам классов, а основанием служит интервал крупности классов. Пример построения частной характеристики крупности по выходам отдельных классов и столбиковая диаграмма (по данным табл. 1.4) показана на рис. 1.9, а.

Суммарную характеристику крупности строят как обыкновенную кривую y=f(d), т. е. по точкам, положение которых находят по абсциссам d – диаметрам кусков и ординатам γ – суммарная выходам мельче или крупнее d.

Если по оси ординат откладываются выхода материала крупнее данного диаметра, то характеристика построена «по плюс d». Если же откладываются выхода материала мельче данного диаметра, то характеристика построена «по минус d». Обе кривые характеристик зеркально отражают одна другую и, будучи построены на одном графике, пересекаются в точке, соответствующей выходу материала в 50 %. Пример построения суммарных характеристик показан на рис. 1.9, б. Выход какого-либо класса (-d₁ + d₂) по суммарной характеристике определяется разностью ординат, построенных на диаметрах d₁ и d₂.

Суммарные характеристики «по плюс d» бывают выпуклыми, вогнутыми и прямолинейными (рис. 1.10). Выпуклая кривая А получается при преобладании в материале крупных зерен, вогнутая Б – при преобладании мелких зерен. прямолинейная В свидетельствует о равномерном распределении в материале зерен по крупности, т. е. на любом участке характеристики на единицу изменения величины диаметра приходится одинаковое по величине изменение суммарного выхода материала.

Рис. 1.9. Характеристики крупности:

а – частная характеристика и столбиковая диаграмма; б – суммарные характеристики

Характеристики, показанные на рис. 1.10, разбиты на четыре класса с одинаковым диапазоном изменения крупности в каждом классе, равным 25 мм. Выпуклая кривая А характеризует материал, в котором наибольший выход имеет самый крупный класс (-100 +75 мм). По мере уменьшения крупности уменьшается и выход класса. Наименьший выход имеет самый мелкий класс (-25 +0 мм). В материале при вогнутой характеристике Б наблюдается обратная картина. Прямолинейная характеристика В относится к материалу, в котором все четыре класса имеют одинаковый выход.

Рис. 1.10. Различные формы суммарной характеристики

По виду частной характеристики заключения о распределении в материале крупных кусков и мелких зерен сделать нельзя, так как вид ее зависит от набора сит, применявшихся при ситовом анализе. Изменение шкалы сит меняет и вид частной характеристики.

По кривой суммарной характеристики можно определить выход любого класса крупности. По частной характеристике такие определения сделать нельзя, так как по ней точно определяются только выхода классов, полученных при ситовом анализе. Классы других диапазонов крупности можно определить лишь путем интерполяции, принимая изменение выхода в пределах класса по закону прямой линии, что вносит некоторую ошибку в вычислении. Выхода любых классов по суммарной характеристике определяются без такой ошибки.

При построении суммарных характеристик в широком диапазоне крупностей зерен материала отрезки на оси абсцисс в области мелких классов получаются весьма малого размера, что затрудняет построение и использование характеристик. Приходится строить непомерно большие графики. Чтобы избежать этого недостатка, суммарные характеристики строят в системе координат с полулогарифмической или логарифмической шкалами. Полулогарифмическая суммарная характеристика крупности строится в системе координат (lg x; y), где x=1 – размер отверстий сита, γ – суммарный выход классов.

Преимущество полулогарифмической кривой, по сравнению с обыкновенной кривой y=f(d), состоит в том, что расстояния между соседними значениями величин отверстий сит на оси абсцисс в области мелких зерен увеличиваются, а в области крупных – сокращаются, что позволяет правильно отсчитывать выхода мелких классов при обычном размере графика.

Если набор сит, применяемых для ситового анализа, имеет постоянный модуль, то построение полулогарифмической характеристики значительно упрощается, так как отрезки на оси абсцисс будут одинаковой величины. Например, для ряда сит с постоянным модулем М разница между логарифмами размеров смежных сит составит:

Каждый отрезок на оси абсцисс между соседними ситами равен lgM. При построении характеристики за lgM можно принять произвольный отрезок.

Полулогарифмические суммарные характеристики крупности (по данным табл. 1.3) показаны на рис. 1.11. В отличие от обыкновенных кривых суммарной характеристики, левая ветвь полулогарифмических кривых не доходит до ординаты, соответствующей выходу 100 %, так как этому выходу по оси абсцисс соответствует lg0=-∞.

Рис. 1.11. Полулогарифмические суммарные характеристики крупности

Логарифмическая суммарная характеристика крупности строится в системе координат (lgx; lgy), где x=l – размер отверстий сита, y – суммарный выход классов.

Логарифмическая характеристика позволяет, в некоторых случаях, установить наличие закономерности распределения в материале зерен по крупности.

Для дробленных и измельченных мономинеральных пород логарифмическая характеристика, построенная «по минус l», большей частью получается прямолинейной. Пример построения логарифмической суммарной характеристики крупности (по данным табл. 1.3) показан на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Логарифмическая суммарная характеристика крупности

1.3.4. Уравнения характеристик крупности

Если логарифмическая суммарная характеристика по минусу прямолинейная, то для такого материала гранулометрический состав можно представить уравнением.

Уравнение прямой линии в логарифмических координатах

Переходя к антилогарифмам, получим

Это уравнение суммарной характеристики, построенной «по минус х», известно под названием уравнения Годэна-Андреева [3].

Величина показателя k определяет направление и степень изгиба кривой характеристики. Если характеристику построить «по плюс x», то она будет: при k>1 – выпуклой, при k=1 – прямой, при k<1 – вогнутой. Следовательно, по величине показателя k можно судить о преобладании в материале крупных или мелких зерен.

Величина параметра А, при данном показателе k, зависит от величины x_max (диаметра максимального зерна материала).

Уравнение характеристики позволяет решать ряд задач, например: определять число зерен в любом классе, поверхность зерен, удельную поверхность и т. п.

Параметры уравнения находятся следующим образом. На логарифмической характеристике выбираются две точки, соответствующие двум наиболее удаленным диаметрам, и определяется показатель k как тангенс угла наклона прямой

Параметр А находится подставкой значения k в уравнение (1.12) для одной из точек.

Если диаметр зерен брать по отношению к диаметру максимального куска в материале, то уравнение Годэна-Андреева преобразуется в «приведенное» уравнение с одним постоянным параметром

или, если y выражено в долях единицы, то

Показатель k находят описанным выше вычислением или, если принять за исходные для расчета x₂ и x₁=1/2x₂, то

Обработка большого количества гранулометрических анализов продуктов дробления и измельчения показала, что во многих случаях лучшее соответствие опытным данным, по сравнению с уравнением Годэна-Андреева, дает уравнение, предложенное Розиным и Раммлером [3]

где R – суммарный выход класса крупнее х (по плюсу), %; x – размер отверстий сита; b и n – параметры, зависящие от свойств материала и размерности величины х.

Соответствие опытных данных уравнению (1.20) можно проверить графическим путем нанесения опытных точек на функциональную координатную систему. При двойном последовательном логарифмировании уравнения (1.20) последнее приобретает вид

Пример построения такого графика (по данным табл. 1.5) показан на рис. 1.13.

Таблица 1.5

Гранулометрический состав исследуемого материала

Рис. 1.13. Характеристика крупности по Розину и Раммлеру

На осях против соответствующих логарифмических величин написаны значения выходов классов и диаметров зерен материала.

Параметры уравнения (1.20) b и n находят по двум известным точкам, решая систему уравнений:

При совместном решении получим

что, впрочем, можно написать и сразу по графику рис. 1.13. Зная n, определяем b:

Для примера по данным табл. 1.5 составлено следующее уравнение характеристики крупности материала:

Таблица 1.6

Уравнения гранулометрических характеристик крупности частиц

Уравнение Розина-Раммлера охватывает опытные точки в широком диапазоне крупностей, но оно не удовлетворяет одному конечному условию: нулевой выход классов достигается только при бесконечно большой крупности материала

При использовании уравнения Розина-Раммлера приходится считаться с этим обстоятельством и принимать конечную крупность материала, соответствующую какому-то определенному значению выхода класса.

В табл. 1.6 приведены наиболее известные уравнения гранулометрических характеристик частиц.

1.3.5. Кривые распределения

Кривые распределения показывают, число частиц или весовые выхода каждого класса крупности в данном материале. Материал, состоящий из смеси частиц разных размеров, разделенный на классы по крупности, можно рассматривать как статический коллектив. Размер частиц будет аргументом коллектива, а общее число частиц в пробе материала или ее общий вес составят числовой или весовой объем статического коллектива. Число частиц в каждом классе или их вес называют численностью класса, частотой или абсолютной частностью, а частоты классов, отнесенные к объему коллектива, – относительными частностями классов.

Если в прямоугольных координатах по оси абсцисс откладывать крупность классов и на соответствующих интервалах крупности построить прямоугольники, площади которых будут пропорциональны частоте класса, то получим гистограмму распределения зерен материала.

Это равнозначно построению прямоугольников высотой, равной частности на единицу длины интервала, на интервале, как основании прямоугольника. При уменьшающемся интервале ступенчатая линия, сверху ограничивающая прямоугольники, приближается к плавной кривой и в пределе дает кривую распределения (рис. 1.14). Ординаты кривой распределения выражают частность на единицу длины бесконечно узкого интервала по оси абсцисс, а площадь под кривой определяет число объектов (число частиц, весовой выход их) в соответствующих промежутках.