Удельное сопротивление измельчению и проблема твёрдости зерна

09.05.2015

Первую попытку определить удельное сопротивление при измельчении твёрдого тела сделал сравнительно недавно Миттаг, исходивший из того, что «размалываемость» («Mahlbarkeit») того или иного вещества зависит в первую очередь от его физической структуры. Эта способность тела, варьирующая в значительных пределах даже для одного и того же вещества, обусловливается сопротивлением, обнаруживаемым телом при его измельчении.
Размалываемость данного тела, естественно, обратно пропорциональна сопротивляемости дроблению. Этот качественный показатель связан с крупнотой получаемого конечного продукта, характеризующейся остатком, т. е. сходом с сита определённой нумерации, что обычно принято изображать графически в форме кривых, которые строятся на основании данных ситового анализа.

Удельное сопротивление измельчению и проблема твёрдости зерна

На рис. 3, например, приведены кривые ситового анализа продуктов, полученных на первых двух драных системах при переработке ржи на лабораторной мельнице. Кривые А получены в результате размола ржи при высоком режиме. Как видно из рис. 3, около 96% частиц по длине больше 1 мм. При изменении же режима в сторону большего нажима то же сырьё на 1 драной системе даёт лишь 60% частиц размером большим 1 мм, остальная масса представляет крупку и муку. Аналогичные результаты получены на следующей системе — II драной.
Если отношение величины прохода (через сито определенной нумерации) к величине исходного материала обозначить через D, то работа, затрачиваемая на измельчение при одних и тех же производственных условиях, представляется в виде функции a=f(D), производную которой s=da/dD можно рассматривать как мерило сопротивления при измельчении данного вещества.
Эта величина s. отнесённая к данному ситу и названная Миттагом «удельным сопротивлением измельчению», получает графическое изображение в форме определенных кривых измельчения в зависимости от изменения переменной величины D (рис. 4), причём фактические, кривые отличаются от теоретических, так как при дроблении продукта, естественно, возникают различные фракции крупноты, увеличивающие затрату работы на а2.
Удельное сопротивление измельчению и проблема твёрдости зерна

Если через Sm обозначить среднее удельное сопротивление измельчению данного тела, то общая затрата работы А получит выражение: A=Q SmD, где Q — вес тела.
Первые опыты по определению удельного сопротивления сырья при дроблении были выполнены в Англии в 1935 г., где Гайвуд дал кривые дробления и зависимости от D для разных сортов угля. Позднее в той же лаборатории было определено удельное сопротивление дроблению некоторых горных пород.
Что же касается сельскохозяйственного сырья, в частности зерна, то, насколько нам известно, этим вопросом до сих пор не занимались, и изучение удельного сопротивления зерна измельчению мы ставим впервые.
По отношению к зерну изучение удельного сопротивления измельчению приобретает особое значение, так как этот вопрос наиболее тесно переплетается с такими распространёнными в мукомольном производстве факторами, как твёрдость зерна, с одной стороны, и крупнота помола — с другой. Зерно характеризуется правильным расположением своих частиц и значительной силой сцепления, действующего между частинами.
При этом нужно повторно оговориться, что мы понимаем термин «твёрдость» для зерна так, как его толкуют физико-химики, а не в том
смысле, как его понимают ботаники, установившие классификацию пшеницы пo видам на твёрдую (durum) и мягкую (vulgaris), причём последняя в свою очередь делится на мучнистую и стекловидную. Среди мягкой пшеницы по этой ботанической классификации имеются случаи, например у Цезиума, когда процент стекловидности доходит до 70 и даже больше, что, понятно, говорит о сравнительно большом сопротивлении зерна измельчению, связанном с большей твёрдостью в физическом смысле.
Таким определением твёрдости зерна удобно пользоваться при изучении вопроса измельчения зерна на драных системах, особенно головных, где влияние твёрдости зерна наиболее ощутительно сказывается и в увеличении нажима, и в увеличении удельного расхода энергии. Более твёрдое зерно сильнее сопротивляется проникновению в него тех резцов, которыми в виде рифлей снабжены нарезные валки.
Этому определению твёрдости нужно дать ещё более расширительное толкование, исходя из представлений Ребиндера. Согласно этим представлениям твёрдость измеряется или работой, затрачиваемой на перевод определенного числа молекул тела из его объёма, в поверхностный слой, т. е. работой образования единицы новой поверхности тела при его измельчении (коэффициет Риттингера Hs=ΔS — энергетическое определение твердости как величины, пропорциональной поверхностной энергии в эрг/см2 или в кГм/см2) или же прочностью, определяемой критическим напряжением при деформации данного тела. Это силовое определение твёрдости соответствует коэффициенту в законе Кика Hv=A/V, так как Hv — работа деформации каждой единицы объёма тела до разрушения приближённо пропорциональна и по размерности равна критическому напряжению.
Проблема исследования твёрдости включает изыскания по установлению зависимости твёрдости от других факторов, характеризующих физико-механические свойства испытуемого тела. Для зерна речь идёт о стекловидности, влажности, плёнчатости и т. д.
Механизм разрыва можно представить в следующем виде: при удалении отделяемых друг от друга частиц деформируемого тела усилия значительно возрастают, достигают максимума, а затем резко падают. Процесс разрыва является необратимой стадией, при которой затраченная механическая работа (работа деформации) превращается в тепло.
В этой области имеются исследования, которые пока ещё не дают полной картины дробления, но содействуют пониманию отдельных положений рассматриваемого вопроса. Из этих работ нужно прежде всего отметить классическую работу Максвелла.
Максвелл предложил для твёрдого тела гипотезу о наличии релаксации, т. е. процесса рассасывания в функции времени внутренних напряжений в деформированном теле вследствие теплового движения его молекул. Из теории Максвелла следует, что произведение модуля Юнга Е на время релаксации Т характеризует внутреннее трение твёрдого тела.
В зерновой массе, состоящей из разнородных по физической характеристике зёрен, явления трения как внутри зерна, так и между отдельными зёрнами при ведении технологического процесса играют исключительную роль. Всякое вмешательство, ведущее, к уменьшению этого трения, резко понижает энергетические затраты на измельчение зерна. Это мы видим в производственной обстановке, где неочищенное или плохо очищенное зерно, обладающее большим коэффициентом трения, труднее поддаётся дроблению, наоборот, всякая декортикация облегчает процесс в энергетическом отношении.
Кроме того, как увидим ниже, явления релаксации, постепенно уменьшающие во времени внутренние напряжения, возникающие под действием собственного веса зерновой массы, имеют место при подготовке зерна к помолу. При кондиционировании, например, одним из существенных факторов является упомянутое время отволаживания, в период которого имеют место положительные для нашего случая явления релаксации. Время отволаживания связано с сортом пшеницы и зависит от её структуры, в первую очередь от твёрдости, т. е. основного фактора измельчения зерна.
Важное практическое значение при рассмотрении вопроса о дроблении твёрдых тел имели работы Курнакова и его сотрудников потому, что самые тонкие изменения состава твёрдых тел при физико-химических превращениях чувствительно отражаются на всей группе механических свойств, зависящих от сил внутреннею сцепления (твёрдость, преодоление упругости, временное сопротивление разрыву и т. д.).
Позднее Иоффе и его сотрудники в своих работах экспериментально доказали, что прочность тела на разрыв резко падает под влиянием самых небольших поверхностных дефектов и что самые незначительные нарушения физической структуры, как поверхностные, так и внутренние, влияют на понижение механической прочности, следовательно, и сопротивляемости при дроблении.
Наличием мельчайших трещин, как показали упомянутые выше опыты Иоффе, Кирпичёвой и Левицкой, объясняется то обстоятельство, что между теоретически вычисляемой и экспериментально определяемой прочностью имеется весьма значительное расхождение. В опытах с каменной солью, например, выполненных Иоффе и его сотрудниками, усилие на разрыв, полученное экспериментальным путём, оказалось в 400 раз меньше, чем рассчитанное (0,5 вместо 200 кТ/мм2). Мельчайшие трещины вызывают значительные местные концентрации напряжения, что приводит к преждевременному разрушению тела, в результате чего и получается упомянутое выше расхождение в величине теоретической и технической прочности тела.
Практика размола зерна даёт много подтверждений этому понижению. Известно, что зерно, сильно повреждённое клещом, который разрушает отдельные места, особенно в наиболее вязкой зародышевой части, перерабатывается с меньшей затратой энергии. Усилия на разрушение уменьшаются здесь на 15—20% в зависимости от степени повреждения зерна.
Наличие трещин в зерне после шелушильной машины имеет большое значение. По опытам Тарутина, Мамбиша и Сердюкова, после пропуска зерна через первый шелушильный проход количество зёрен с надорванными оболочками достигает 90—95%. После мойки, когда в процессе удаления влаги оболочки сжимаются, морщатся и дают разрывы, эти трещины легко заметить даже невооружённым глазом. Процесс дальнейшего дробления здесь облегчается.
Об этом свидетельствуют и опыты Врасского, установившего, что у зерна с наличием трещин усилия на раздавливание в зависимости от сорта уменьшаются на 10—14%, причём максимум падает на твёрдую пшеницу Мелянопус.
Предварительное удаление зародыша из пшеницы, как уже указывалось, по опытам Врасского снижает величину усилий при разрушении на 10—30% в зависимости от сорта пшеницы и вида деформаций. Это обстоятельство учитывается также при переработке кукурузы, у которой после удаления зародыша без нарушения формы зерна наблюдается резкое снижение удельного расхода энергии на измельчение. Для этой цели сконструирована специальная машина, которую автору пришлось видеть в Чикаго на заводе Арго.
Особенно заметно сказывается это обстоятельство при переработке пшеницы, повреждённой клопом-черепашкой, когда, помимо нарушения целостности оболочки (место укола), внутри зерна, в эндосперме, появляется зона заражения секреционной жидкостью клопа. Здесь можно обнаружить своего рода опухоль, дающую ослабление механических свойств зерна, в результате чего сопротивляемость дроблению отдельных зёрен понижается, а вместе с тем уменьшается и общая сопротивляемость дроблению зерновой массы в целом. Это обстоятельство, по нашим наблюдениям, можно констатировать, особенно при определении удельного расхода энергии на I и II драных системах (при переработке зерна, повреждённого клопом, на лабораторной мельнице), т. е. на тех системах, где идёт отделение части зерна с деградированным эндоспермом.
То же явление наблюдается и при переработке повреждённой клопом пшеницы в производственных условиях. Опыты на экспериментальной мельнице ВНИИЗ показали, что при одинаковых прочих условиях удельный расход энергии на размельчение зерна, повреждённого клопом-черепашкой, уменьшается еще и потому, что при ударе зёрен о наждачную поверхность повреждённая клопом часть зерна быстро разрушается и отделяется от зерна, что вносит поправочный коэффициент в общую сопротивляемость зерновой массы измельчению.
Благоприятная роль трещин в энергетическом отношении остаётся в силе, когда речь идёт и о внутренних дефектах, подобных внутрикристаллическом. По отношению к зерну это важно, имея в виду особую лёгкость образования трещин в крахмальных зёрнах пшеницы.
Наконец, нарушение связи между оболочкой и эндоспермом — декортикация в широком смысле этого слова, — например шелушение зерна, также влияет на сопротивляемость зерна при его измельчении. Опыты по так называемому «оголению» зерна, выполненные и последние годы на одной из харьковских мельниц, подтвердили правильность указанного выше положения.
Нужно еще напомнить, что при переработке зерна имеет место и «взрывное дробление», по существу совпадающее с приёмами, применяемыми в США в работах Горного Бюро (Bureau of Mines). В крупяном производстве при приготовлении уже упоминавшихся выше «вспученных» зёрен пшеницы, риса, кукурузы пользуются действием мгновенных сил, возникающих при перепаде давления с 15 до 1 ат. что подтверждает влияние скорости релаксации на деформацию зерна. Одновременно эти условия «взрывания» зёрен указывают на значительную величину сил молекулярного сцепления, требующих для своего преодоления больших усилий.
В результате приведённых выше соображений можно считать, что схема разрушения зерна состоит из следующих трёх последовательно связанных между собой фаз.
Первая фаза — упругой деформации протекает от начального момента приложения разрушающих усилий, вызываемых действием рабочих органов машины до момента появления первых трещин, что соответствует пределу упругости. Можно полагать, что в этой фазе зерно подчиняется закону Кика в том смысле, что затрата энергии пропорциональна объёму или весу отдельных зёрен.
Вторая фаза — пластической деформации, отражающая перемещение элементов в отдельных частях зерна. В пределах этой фазы зерно раскалывается, иногда плющится и, во всяком случае, уплотняется, после чего процесс дробления переходит в решающую, третью фазу — дробления зерна на части с последующим изменением отдельных составных его частей.
В этой фазе расход энергии на измельчение зерна идёт на: 1) образование новых внешних поверхностей и 2) пластично-вязкую деформацию (течение) вещества. Первая часть работы, как зависящая от молекулярных сил сцепления обнажаемых поверхностей и их характеристики, подчиняется закону Риттингера. Вторая же часть работы на деформацию зависит от физической характеристики зерна, способа приложения усилий и скорости действия последних.
В суммарном выражении расчленённая по фазам затрата энергии, характеризующая удельное сопротивление зерна размельчению, зависит в основном от двух переменных величин: 1) физической структуры зерна при поступлении его на дробление, т. е. после предварительной обработки, и 2) характера и формы приложения дробящих усилий. Если первая переменная величина, обусловленная природой данного зерна, присуща сорту и поддаётся изменение путём специальных воздействий в стадии подготовки, то вторая отражает в первую очередь характеристику рабочего opганa машины для размола зерна, главным образом вальцевого станка, где вопрос режущего органа, в нашем случае рифлей, их скорость, профиль и уклон играют исключительную роль.
При рассмотрении данного вопроса следует основываться на работах Ребиндера и его сотрудников, рассматривающих деформацию твёрдого тела как дисперсной системы, что связано с постепенным образованием новых поверхностей со свойственной им поверхностной энергией.
Согласно этому новейшему взгляду твёрдость тела, как уже указывалось, определяется не только его внутренней структурой, но и физико-химическими свойствами внешней среды, граничащей с поверхностными наружными слоями тела. Нельзя поэтому исследовать твёрдость тела лишь на основе механики и оставлять без внимания поверхностные физико-химические явления.
Ребиндер ещё в 1928 г. доказал, что при адсорбции, т.е. при поглощении поверхностью тела так называемых поверхностноактивных примесей из окружающей среды, твёрдость его всегда более или менее резко падает. Ребиндер объясняет это понижение твёрдости уменьшением поверхностной энергии, образующейся при адсорбции, т.е. ослаблением связи его частиц по обе стороны этих поверхностей.
При механическом же разрушении твердого тела под влиянием внешних сил в слоях тела, примыкающих к поверхности, происходит образование и расширение новых трещин. Создаётся область повышенной «микротрещиноватости», которую Ребиндер называет «зоной предразрушения». Эта зона образуется не только при разрушении твёрдого тела, т. е. раздроблении его на части, но и при любой упругой или пластичной деформации. Чем выше напряжение, возникающее в твёрдом теле при его деформации, т. с. чем ближе оно к пределу упругости, тем более развита в деформированной части тела зона предразрушения и, следовательно, тем ярче выражено влияние внешней среды и адсорбирующих веществ, облегчающих процесс деформации твёрдого тела.
Количественная сторона вопроса остаётся неразработанной. Это очень сложная, не имеющая даже методики расчёта задача.
В области технологии зерна вопросы эти приобретают значение ещё и потому, что законы наружного трения зерна основываются на учении о поверхностных явлениях, а вопросы трения особенно важны при переработке зерновой массы.
С другой стороны, мы имеем возможность активно воздействовать на усиление «трещиноватости», используя её как положительный фактор при измельчении зерна. Это искусственное вмешательства в процесс образования трещин, обусловливающих сопротивляемость при дроблении и реализуется нами путём смачивания зерна водой, действующей сначала на поверхность зерна в оболочке, а затем проникающей внутрь, в эндосперм, под влиянием силы капиллярного давления и адсорбционных сил. Эти всасывающие силы очень велики и особенно возрастают с уменьшением толщины трещин, достигая сотен, а может быть и тысяч кГ/см2.
Таким образом, вода выступает в роли адсорбционного понизителя твёрдости (применяя термин, уже вошедший в литературу но бурению), причём «трещиноватость» как естественная, уже существующая в крахмальных зёрнах пшеницы, так и искусственная, вызываемая нашим вмешательством, является фактором, непосредственно связанным с удельным сопротивлением измельчению зерна.
В соответствии с указанными выше положениями процесс измельчения зерна можно разделить в механико-технологическом отношении на две фазы: 1) фазу предразрушения, осуществляемую во время предварительной подготовки зерна к помолу в зерноочистительном отделении мельницы, и 2) фазу разрушения в тесном смысле этого слова, осуществляемую сначала при крупном дроблении на драных, а затем при тонком измельчении на размольных системах.
Первая фаза является подготовкой к производству. Мероприятия в этой области по воздействию на зерно бывают троякого вида: механические, гидромеханические, гидротермические.
Каждая группа мероприятий направлена на понижение удельного сопротивления измельчению и связана не только с физико-химической характеристикой зерна, но и технологическими показателями получаемого продукта, отражающимися также на интересующем нас энергетическом факторе.
В настоящей работе рассматриваются мероприятия второй группы воздействия — гидромеханические, в которых вода является адсорбционным понизителем твёрдости, одного из основных элементов удельной сопротивляемости измельчению. Мы предлагаем, таким образом, понятию удельного сопротивления измельчению зерна дать расширительное толкование, связывая его с явлениями смежного порядка, как предшествующими, так и последующими, чтобы восстановить полную картину размола зерна.