Fluidyzacja, względnie "upłynnienie" proszku lub mieszaniny proszków stanowiących czynnik obróbczy, polega na utworzeniu zawiesiny rozdrobnionego ciała stałego w strumieniu gazu, zwykle przepływającego na wskroś całe złoże od dołu do góry (rys. 9 i 10) [35, 36]. Według Polskiej Normy [37] dotyczącej inżynierii chemicznej, złożem fluidalnym określamy „warstwę zawiesiny materiału ziarnistego, którego cząstki zmieniają nieustannie zarówno położenie względem siebie, jak i położenie względem ścian tygla; złoże fluidalne wykazuje charakterystyczną dla cieczy ruchliwość, ciśnienie hydrostatyczne oraz górną powierzchnię swobodną lub obszar, w którym występuje gwałtowna zmiana stężenia fazy stałej”.
Następujące odmiany fluidyzacji wymienione w normie mają zastosowanie w praktyce obróbki cieplnej:
• Fluidyzacja „metodą kontaktową ziarnistej fazy stałej ze spójną fazą płynną (gazową lub ciekłą), polegająca na utrzymywaniu cząstek proszku fazy stałej w stanie zawiesiny w strumieniu „fazy płynnej”,
• Fluidyzacja wibracyjna: „odmiana fluidyzacji polegająca na utrzymywaniu cząstek proszku fazy stałej w stanie zawiesiny w strumieniu za pomocą drgań mechanicznych o określonej amplitudzie i częstotliwości”,
• Fluidyzacja impulsowa: „odmiana fluidyzacji polegająca na utrzymywaniu cząstek proszku fazy stałej w stanie zawiesiny w strumieniu, którego prędkość jest zmieniana w czasie, w sposób cykliczny”.
Złożem fluidalnym w obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej jest złoże cząstek proszku, które jest lub może być utrzymywane w zawiesinie przepływem gazu, w kierunku od spodu do powierzchni złoża, lub za pomocą wprawienia złoża w wibracje. Płynnym czynnikiem fluidyzującym (fazą płynną) jest w praktyce fluidalnej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej wyłącznie gaz. W takim złożu są umieszczone przedmioty obrabiane w
celu nagrzewania, chłodzenia lub utrzymywania przy stałej temperaturze lub także w celu poddania ich przy podwyższonej temperaturze oddziaływaniu chemicznemu gazu przepływowego lub samego złoża [35, 36, 38].
W obróbce fluidalnej konieczne jest rozróżnienie złoża fluidalnego od sfluidyzowanego. Złoże sfluidyzowane jest to złoże fluidalne, które jest aktualnie w stanie fluidalnym („upłynnionym”), natomiast złoże fluidalne jest nieruchome, które aktualnienie nie jest, ale które może być sfluidyzowane. Złoże fluidalne podczas obróbki wypełnia przestrzeń roboczą urządzenia nazywanego urządzeniem fluidalnym np.: piec lub wanna.
Technika fluidalna w obróbce cieplnej pojawiła się na przełomie lat 50/60 ubiegłego wieku. Wcześniej stosowano ją w inżynierii chemicznej. W energetyce technika fluidalna upowszechnia się jako sposób wydajnego i ekologicznie czystego opalania kotłów pyłem węglowym. Ciągle prowadzone są badania nad mechaniką fluidyzacji, wymianą ciepła i masy oraz procesami chemicznymi zachodzącymi w złożach fluidalnych. Dotyczą one głównie zagadnień mających znaczenie w inżynierii chemicznej, lecz zawierają też elementy istotne dla zastosowań techniki fluidalnej w innych gałęziach przemysłu. Technologia złóż fluidalnych znajduje coraz szersze zastosowanie w obróbce cieplnej [39] i cieplno-chemicznej [40-46], technologii metalurgii proszków [47-49] czy przemyśle spożywczym [50], a nawet farmacji [51, 52].
Zespół fluidyzatora składa się z pojemnika mieszczącego złoże, obejmującego także przestrzeń separacji ziarn nad złożem oraz dystrybutora gazu (rys.9).
Rys. 9. Odmiany fluidyzatorów: a - z dystrybutorem płytowym, b - z dystrybutorem rurowym;
a,b - otwarty, c - nakryty pokrywą; 1 - dystrybutor, 2 - komora dystrybutorowa, 3 - pokrywa, 4 - kanał wylotowy; hs - wysokość strefy separacji cząstek złoża [35]
Złoża fluidalne stosowane w obróbce cieplnej są w kategoriach inżynierii chemicznej z reguły „złożami obcymi”, tzn. są pod względem chemicznym obojętne względem obrabianego materiału. Natomiast w procesach fluidalnej obróbki cieplno-chemicznej faza stała, tj. materiał ziarnisty złoża może być:
• obojętny chemicznie względem obrabianego przedmiotu (jest „złożem obcym”), a czynnikiem aktywnym jest gaz,
• aktywny chemicznie względem obrabianego przedmiotu, bezpośrednio albo za
pośrednictwem gazu fluidyzującego.
Gaz fluidyzujący może pełnić dwojaką rolę tj.: atmosfery roboczej lub ochronnej. W obróbce cieplnej stosowane gazy mają charakter obojętny, a w obróbce cieplno-chemicznej są aktywne chemicznie. Ze względu na funkcję atmosfery roboczej obróbka fluidalna jest swego rodzaju obróbką atmosferową. Reakcje chemiczne między gazami, a także procesy odparowania i pirolizy cieczy, zachodzą w złożu fluidalnym szybciej i pełniej niż w takich samych warunkach w złożu statycznym. Zużycie atmosfery roboczej, tj. gazu fluidyzującego jest iloczynem zużycia odpowiadającego dolnemu krytycznemu natężeniu dopływu gazu fluidyzującego i tzw. liczby fluidyzacji [35]:
nf = v/vo (24)
Liczba fluidyzacji (nf) jest to stosunek zastosowanej prędkości przepływu czynnika fluidyzującego do dolnej krytycznej prędkości czynnika fluidyzacyjnego, czyli prędkość przepływu czynnika fluidyzującego (vo), przy której opory jego przepływu przez warstwę materiału ziarnistego stają się równe ciśnieniu wywołanemu przez ciężar warstwy. Po przekroczeniu tej prędkości złoże nieruchome przechodzi w złoże fluidyzowane (ruchome) (rys. 10). Prędkość początku fluidyzacji można obliczyć za pomocą szeregu wzorów, między innymi używając empirycznej zależności [35]:
vo = 0,00059 d2⋅γz⋅ g .η-1
[m·s-1], (25)
gdzie:
d - wymiar (średnia średnica) cząstek złoża [m], γz - gęstość materiału złoża [kg·m-3],
η - lepkość dynamiczna gazu [kg·m-1·s-1].
Prędkość czynnika fluidyzującego, przy której rozpoczyna się fluidyzacja zmniejsza się z podwyższeniem temperatury złoża, co jest powodowane zwiększeniem wartości lepkości dynamicznej gazu ze wzrostem temperatury. W tabeli 4 podano przykładowe wartości natężenia przepływu potrzebnego do nadania powietrzu prędkości początku fluidyzacji dla
złoża elektrokorundu o wymiarze ziarna 125-106 µm przy różnych temperaturach w piecu do obróbki cieplnej.
Rys. 10 Schemat osiągania stanu pełnej fluidyzacji [36]
Tabela 4. Najmniejsze natężenie przepływu powietrza fluidyzującego złoże elektrokorundu o wymiarze ziarna 106-125 µm przy różnych temperaturach w piecu do obróbki cieplnej z fluidyzatorem o średnicy 300 mm [35].
Temperatura [°C] 20 250 500 800 1000
Natężenie przepływu [m3·h-1 (20°C, 1013 hPa)] 8,5 5,0 3,2 2,5 2,0
Znajomość prędkości początku fluidyzacji służy m.in. do dobierania natężenia przepływu gazu dla konkretnych procesów obróbki cieplnej. Roboczą prędkość gazu (v) wyznacza się jako iloczyn prędkości początku fluidyzacji i liczby fluidyzacji nf:
v = vo⋅ nf [m·s-1]. (26)
Dla określonej temperatury złoża i wielkości przekroju poprzecznego fluidyzatora zależność (26) można wyrazić natężeniami przepływu gazu (27). W praktyce obróbki fluidalnej liczbę fluidyzacji przyjmuje się przeważnie w granicach nf =1,2÷3.
Q = Qo⋅ nf [m3], (27)
gdzie:
Q - robocze natężenie przepływu gazu [m3·h-1],
Złoża fluidalne posiadają szereg własności istotnych dla zastosowań w obróbkach cieplno-chemicznych. Należy tu wymienić [35]:
• gęstość złoża,
• ruchliwość,
• mechaniczne oddziaływanie cząstek złoża ze ściankami komory i z przedmiotem obrabianym,
• pojemność cieplna,
• jednorodność temperaturowa,
• zdolność do przejmowania i oddawania ciepła,
• oddziaływanie cieplno-chemiczne z powierzchnią elementu obrabianego.
Gęstość złoża fluidyzowanego gazem (γf) zależy praktycznie od gęstości cząstek oraz porowatości złoża, tj. od stosunku objętości wolnej przestrzeni pomiędzy cząstkami do objętości złoża: − = 100 1 ε γ γf z [g·cm-3] (28) gdzie:
γz - gęstość materiału cząstek [g·cm-3], ε - porowatość złoża [%].
Porowatość złóż stosowanych w obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej mieści się zwykle w granicach 60÷70%. Gęstość złoża decyduje m.in. o unoszeniu się na powierzchni lub zanurzeniu się w nim przedmiotów, analogicznie jak w przypadku cieczy. Ruchliwość złoża jest kolejnym czynnikiem wpływającym na obróbkę prowadzoną w złożach sfluidyzowanych, która przejawia się kilkoma zjawiskami fizycznymi. Jednym z nich jest zwiększenie objętości złoża, tj. ekspansja, towarzysząca przejściu nieruchomego złoża w stan fluidyzacji. Jest ona skutkiem zwiększenia porowatości złoża z wartości porowatości usypowej złoża nieruchomego, do wartości porowatości złoża sfluidyzowanego.
Ekspansja (∆h) i porowatość złoża sfluidyzowanego są związane zależnością:
∆h = (γu/γf -1) ⋅ 100 [%], (29)
gdzie:
γu, γf [g·cm-3] – gęstości złoża: nasypowa i fluidyzowanego.
Kolejnym zjawiskiem występującym w złożach fluidalnych, jest powstawanie w złożu pęcherzy gazu fluidyzującego, które unoszą się i otwierają na powierzchni złoża powodując jego wzburzenie. Pęcherze podczas unoszenia powiększają się, a w ich wnętrzu porcje złoża
są wynoszone na powierzchnię (rys.11a). Ruch pęcherzy przyczynia się do mieszania złoża i powstawania w nim ruchu masy (rys 11b). Zanurzone w złożu fluidalnym obrabiane przedmioty mogą powodować pewne zaburzenia jego jednorodności W niektórych przypadkach nad poziomymi powierzchniami przedmiotów ruch złoża fluidalnego może osłabnąć, a nawet może zanikać. Analogiczna sytuacja zachodzi we wnękach oraz w otworach nieprzelotowych w obrabianym elemencie (rys. 11c). Sytuacje takie głównie mają miejsce, gdy obrabiamy elementy o dużych wymiarach. Drobne przedmioty nie mają wpływu na ruch złoża, nawet w przypadku obróbki większej ilość takich elementów. W celu uniknięcia takich sytuacji można zastosować technologię wspomagającą proces fluidyzacji. Proces ten polega na wprawieniu układu fluidyzatora w drgania mechaniczne ciągłe lub okresowe.
a) b) c)
Rys. 11. Ruchliwość złoża fluidalnego: a) pęcherze gazu w złożu sfluidyzowanym: 1 - złoże, 2 - pęcherz, 3 - unoszona porcja cząstek złoża; b) schemat ruchu masy w złożu fluidyzowanym; c) zakłócenia ruchu złoża fluidalnego przez zanurzony przedmiot obrabiany o skomplikowanym kształcie: 1 - zastój, 2 – niewypełnienie [35]
Omówiona technologia fluidalna została wykorzystana w niniejszej pracy. Jeden z przeprowadzonych eksperymentów polegał na obróbce cieplno-chemicznej aluminiowania w złożu fluidalnym (zob. rozdz. 8).