Non tutti i materiali sfusi sono ugualmente difficili da rimuovere da un silo. Alcuni fuoriescono con un intervento minimo. Altri richiedono giorni di martellamento, taglio e scavo. Comprendere perché i materiali differiscono in termini di difficoltà di pulizia è il primo passo verso la progettazione di strategie di pulizia efficaci e la selezione di metodi di intervento appropriati.
Questo articolo fornisce una guida pratica di riferimento sulle proprietà dei materiali che determinano la difficoltà di pulizia. Spiega come ciascuna proprietà influisce sul comportamento di accumulo e sui requisiti di pulizia. Offre semplici test che gli ingegneri impiantisti possono eseguire per caratterizzare i loro materiali. Inoltre fornisce indicazioni su come abbinare i metodi di pulizia alle proprietà dei materiali.
Dimensione e distribuzione delle particelle
La dimensione delle particelle è la proprietà del materiale più visibile e ha un effetto diretto sulla difficoltà di pulizia.
I materiali grossolani, con particelle più grandi di circa cinque millimetri, sono generalmente più facili da pulire rispetto ai materiali fini. Le particelle hanno una superficie inferiore per unità di massa, il che significa una minore area disponibile per le forze adesive. Hanno anche meno probabilità di formare archi coesi. Gli archi meccanici possono verificarsi quando particelle di grandi dimensioni si incastrano, ma questi sono solitamente più facili da rompere rispetto agli archi coesivi nei materiali fini.
I materiali fini, con particelle inferiori a cento micron, sono significativamente più difficili da pulire. L'elevata area superficiale per unità di massa consente lo sviluppo di forti forze di van der Waals e attrazioni elettrostatiche. I materiali pregiati si consolidano sotto pressione e acquistano forza nel tempo. Formano depositi densi e duri che resistono alla rottura meccanica.
Anche la distribuzione delle dimensioni delle particelle, e non solo la dimensione media, è importante. I materiali con un'ampia distribuzione granulometrica, ovvero una miscela di particelle grandi e piccole, sono spesso più difficili da pulire rispetto ai materiali con una distribuzione ristretta. Le piccole particelle riempiono gli spazi tra le particelle grandi, creando un imballaggio denso altamente coeso.
La valutazione pratica della dimensione delle particelle non richiede attrezzature di laboratorio. Una semplice analisi del setaccio utilizzando schermate standard fornisce dati utili. Per la maggior parte degli ingegneri impiantisti, la distinzione rilevante è se il materiale è sufficientemente grossolano da poter essere maneggiato con strumenti semplici o sufficientemente fine da richiedere apparecchiature elettriche o getti d'acqua.
Contenuto di umidità
L'umidità è il fattore più importante nella difficoltà di pulizia per la maggior parte dei materiali sfusi. Un materiale asciutto e scorrevole può diventare appiccicoso e immobile quando l'umidità aumenta.
L'effetto dell'umidità dipende dal materiale. Per molte polveri esiste un contenuto di umidità critico al di sopra del quale il flusso diventa inaffidabile. Al di sotto di questo livello, il materiale si comporta come un solido che scorre liberamente. Al di sopra di esso, il materiale sviluppa una forza coesiva che aumenta con l'umidità. Il livello critico di umidità varia ampiamente. Il cemento può mostrare effetti a livelli di umidità fino all'1%. Altri materiali possono tollerare il dieci per cento o più prima di diventare problematici.
L'umidità influisce anche sulla pulizia in modo secondario. Quando si aggiunge acqua per rimuovere un'ostruzione, tramite getti d'acqua o condensa, il materiale rimanente può indurirsi o solidificarsi. Cemento e calce sono classici esempi in cui l’aggiunta di acqua peggiora il problema anziché migliorarlo.
La misurazione del contenuto di umidità richiede attrezzature semplici. Un misuratore di umidità o un forno da laboratorio possono fornire dati quantitativi. Anche una valutazione qualitativa, come spremere una manciata di materiale e osservare se tiene insieme, fornisce informazioni utili per le decisioni sulla strategia di pulizia.
Per le strutture che trattano materiali sensibili all’umidità, il controllo dell’umidità è spesso più efficace della gestione della pulizia. Una migliore tenuta del tetto, migliori guarnizioni di ingresso e uscita e l'aria condizionata possono ridurre l'ingresso di umidità e diminuire la frequenza delle pulizie.
Coesione e angolo di riposo
La coesione è la forza interna di un materiale sfuso. I materiali con elevata coesione aderiscono tra loro e resistono al flusso. I materiali con bassa coesione scorrono facilmente.
La coesione è spesso correlata alla dimensione delle particelle e all'umidità, ma è una proprietà distinta. Alcuni materiali fini e secchi hanno una bassa coesione e scorrono liberamente. Altri, anche se secchi, hanno un'elevata coesione a causa della forma delle particelle o degli effetti elettrostatici.
L'angolo di riposo è un indicatore pratico di coesione. Questo è l'angolo massimo al quale una pila di materiale può essere impilata prima che crolli. I materiali con angoli di riposo bassi, inferiori a trenta gradi, hanno una bassa coesione e scorrono facilmente. I materiali con angoli di riposo elevati, superiori a quarantacinque gradi, hanno un'elevata coesione e sono difficili da scorrere.
Per misurare l'angolo di riposo è sufficiente versare il materiale su una superficie piana e misurare l'angolo del cono risultante. Questo test può essere eseguito con un piccolo campione nel laboratorio dell'impianto o anche nell'officina di manutenzione.
I materiali ad alta coesione richiedono metodi di pulizia più aggressivi. La semplice vibrazione o il rodaggio potrebbero non essere sufficienti. Potrebbero essere necessari martelli elettrici, getti d'acqua o attrezzature di demolizione azionate a distanza. I materiali a bassa coesione possono spesso essere rimossi con vibrazioni o aste.
Durezza e Abrasività
La durezza è la resistenza del materiale alle alterazioni meccaniche. I materiali duri sono difficili da rompere. I materiali morbidi sono facili da rompere.
La durezza diventa significativa quando il materiale si è consolidato in depositi duri. I depositi di cemento possono raggiungere una durezza paragonabile al calcestruzzo. Alcuni intermedi chimici possono formare croste estremamente dure che resistono ai demolitori meccanici.
L'abrasività è correlata alla durezza ma si riferisce all'effetto del materiale sull'attrezzatura. I materiali abrasivi usurano le punte del martello, gli utensili da taglio e i rivestimenti dei silos. L'elevata abrasività aumenta i costi di pulizia e i danni al silo.
Il test della durezza non richiede attrezzature specializzate. Un semplice test di graffio, simile al test di durezza minerale, può fornire una stima approssimativa. I materiali che possono essere graffiati con un coltellino tascabile sono morbidi. I materiali che smussano il coltello sono duri. I materiali che non possono essere graffiati sono molto duri e richiedono attrezzature specializzate per la rimozione.
I materiali duri spesso richiedono il getto d'acqua come metodo di rimozione principale. Il getto d'acqua taglia i depositi duri senza l'usura tipica dei demolitori meccanici. La pressione dell'acqua deve essere adattata alla durezza del materiale. I materiali più morbidi potrebbero danneggiarsi a causa di una pressione eccessiva.
Funzione di flusso e compressibilità
La funzione di flusso è la relazione tra lo stress applicato a un materiale e la sua capacità di fluire. È la caratterizzazione più completa del comportamento del flusso, ma richiede test di laboratorio per determinarla con precisione.
Per scopi pratici, la compressibilità funge da proxy per la funzione di flusso. La compressibilità è la riduzione di volume che si verifica quando un materiale è sottoposto a pressione. I materiali con elevata comprimibilità sono in genere difficili da far scorrere perché le particelle si consolidano saldamente.
Un semplice test di compressibilità prevede il posizionamento di un campione di materiale in un cilindro graduato, l'applicazione di un peso noto e la misurazione della riduzione del volume. La riduzione del volume come percentuale del volume originale è la comprimibilità. I materiali con comprimibilità superiore al trenta per cento sono considerati altamente comprimibili e difficili da scorrere.
I materiali altamente comprimibili richiedono un'attenzione particolare alla progettazione del silo e alla frequenza di pulizia. Sono soggetti a consolidamento durante lo stoccaggio e possono richiedere una pulizia più frequente rispetto ai materiali meno comprimibili. Gli ausiliari di flusso come cannoni ad aria o fluidificatori sono spesso utili per i materiali comprimibili.
Sensibilità alla temperatura
La temperatura influisce sia sulle proprietà del materiale che sul processo di pulizia. Alcuni materiali diventano più facili da maneggiare quando riscaldati. Altri diventano più difficili.
I materiali che si ammorbidiscono con il calore, come alcune resine o asfalti, possono diventare più difficili da pulire se riscaldati perché diventano più appiccicosi. I materiali che si espandono con il calore possono diventare meno densi e scorrere più facilmente. L'effetto della temperatura è specifico del materiale e deve essere determinato per ogni situazione.
Anche la temperatura influisce sulla sicurezza. I silos che contengono materiali caldi, come le ceneri volanti delle centrali elettriche, rappresentano rischi termici per i lavoratori e le attrezzature. La pulizia dei silos caldi richiede ulteriori precauzioni di sicurezza.
L'implicazione pratica della sensibilità alla temperatura è che potrebbe essere necessario che la strategia di pulizia vari con la temperatura. Un metodo che funziona a temperatura ambiente potrebbe non funzionare a temperatura elevata. Le strutture che trattano materiali sensibili alla temperatura dovrebbero considerare la temperatura nella pianificazione della pulizia.
Proprietà chimiche
Le proprietà chimiche del materiale influiscono sia sul suo comportamento al flusso che sulla sicurezza delle operazioni di pulizia.
I materiali che reagiscono con l'acqua, come cemento, calce o alcuni catalizzatori chimici, diventano più difficili da pulire quando viene introdotta umidità. Il getto d’acqua, efficace per molti materiali, non è appropriato per questi materiali. La rimozione meccanica è il metodo preferito.
I materiali corrosivi richiedono una manipolazione speciale. I materiali acidi o basici possono danneggiare le attrezzature e ferire i lavoratori. Le attrezzature per la pulizia utilizzate per materiali corrosivi devono essere realizzate con materiali compatibili e possono richiedere procedure di pulizia speciali.
I materiali tossici o pericolosi richiedono rigorose procedure di sicurezza. Il metodo di pulizia deve prevenire la generazione e l'esposizione alla polvere. Per i materiali pericolosi si preferiscono spesso apparecchiature azionate a distanza per ridurre al minimo l'esposizione del personale.
Comprendere le proprietà chimiche del materiale è essenziale per selezionare metodi di pulizia sicuri. La scheda dati di sicurezza del materiale fornisce queste informazioni e deve essere esaminata prima di qualsiasi operazione di pulizia.
Metodi pratici di valutazione
Gli impiantisti possono valutare i propri materiali utilizzando metodi semplici ed economici che forniscono informazioni utili per la pianificazione della pulizia.
Il test della manciata è la valutazione più semplice. Prendi una manciata di materiale e strizzalo. Se cade a pezzi quando viene rilasciato, ha una bassa coesione. Se rimane insieme in un grumo, ha un'elevata coesione. Il test della manciata indica anche il contenuto di umidità. Se il materiale lascia umidità sulla mano, è bagnato.
Il test del palo fornisce i dati sull'angolo di riposo. Versare il materiale su una superficie piana e misurare l'angolo della pila. Un angolo basso indica un buon flusso. Un angolo elevato indica un flusso scarso.
Il test di graffiatura indica la durezza. Prova a graffiare il materiale con un coltellino tascabile. Se si graffia facilmente, è morbido. Se resiste ai graffi, è duro. Se non può essere graffiato, è molto difficile.
Il test dell'acqua indica la sensibilità all'umidità. Aggiungere una piccola quantità di acqua a un campione. Se il materiale si solidifica o si indurisce, il getto d'acqua non è appropriato. Se il materiale rimane allentato, il getto d'acqua può essere efficace.
Il test di cedimento indica la compressibilità. Riempire un contenitore trasparente con materiale, applicare pressione e misurare la riduzione del volume. Un'elevata riduzione del volume indica un'elevata comprimibilità e difficoltà di flusso.
Questi test non sono precisi. Non sostituiscono i test di laboratorio. Ma forniscono indicazioni utili per la scelta del metodo di pulizia e sono disponibili gratuitamente.
Proprietà corrispondenti ai metodi di pulizia
La guida seguente fornisce un quadro per abbinare le proprietà dei materiali ai metodi di pulizia.
I materiali secchi, a bassa coesione con particelle grandi e bassa umidità sono i più facili da pulire. Di solito è sufficiente la vibrazione o l'oscillazione. Se la pulizia è necessaria, può essere eseguita con strumenti semplici.
I materiali secchi e fini con bassa umidità ma con particelle piccole possono comunque risultare difficili a causa delle forze coesive. I cannoni ad aria compressa o i fluidificatori sono spesso efficaci. In caso di ostruzioni ostinate potrebbero essere necessarie apparecchiature telecomandate.
I materiali bagnati con un elevato contenuto di umidità sono difficili da pulire meccanicamente perché il materiale si attacca agli strumenti e alle attrezzature. Il getto d'acqua può essere efficace, ma solo se il materiale non reagisce con l'acqua. Per i materiali sensibili all'acqua è necessaria la rimozione meccanica con un attento controllo dell'umidità.
I materiali induriti con elevata durezza richiedono metodi potenti. Il metodo preferito è l'attrezzatura da demolizione azionata a distanza con martelli idraulici. Anche il getto d’acqua ad alta pressione può essere efficace. L'inserimento manuale con utensili manuali non è appropriato per i materiali temprati.
I materiali abrasivi richiedono attrezzature durevoli. Le punte del martello e gli utensili da taglio si usurano rapidamente. La manutenzione delle attrezzature è essenziale. Può essere preferibile il getto d'acqua, che non ha parti soggette a usura a contatto con il materiale.
I materiali pericolosi richiedono metodi remoti. L'ingresso del personale dovrebbe essere evitato. L'approccio standard è costituito da apparecchiature gestite a distanza, opportunamente mantenute e utilizzate.
Utilizzo della valutazione dei materiali nella pianificazione preventiva
La valutazione dei materiali non è un'attività una tantum. Le proprietà dei materiali cambiano con le condizioni di approvvigionamento, lavorazione e conservazione. Una valutazione regolare garantisce che i metodi di pulizia rimangano adeguati.
Quando viene introdotta una nuova fonte di materiale, conduci i semplici test descritti in questo articolo. Confronta i risultati con i materiali precedenti. Se il nuovo materiale è notevolmente diverso, modificare la frequenza e i metodi di pulizia.
Quando i cambiamenti stagionali influiscono sul contenuto di umidità, modificare le procedure di pulizia. I materiali asciutti in estate possono essere bagnati in inverno. Il piano di pulizia dovrebbe tenere conto di queste variazioni stagionali.
Quando la durata di conservazione del materiale cambia, rivalutarne le proprietà. I materiali conservati più a lungo potrebbero diventare più duri e difficili da pulire. Se la durata della conservazione aumenta, potrebbe essere necessario che la pulizia diventi più aggressiva.
Documentare i risultati delle valutazioni dei materiali. Mantenere un registro delle proprietà dei materiali per ciascun silo e ciascun tipo di materiale. Utilizzare questo record per guidare le decisioni di pulizia e per identificare le tendenze che potrebbero indicare lo sviluppo di problemi.
Conclusione
Le proprietà dei materiali determinano la difficoltà di pulizia. La comprensione di queste proprietà consente agli ingegneri dell'impianto di selezionare metodi di pulizia adeguati, stimare tempi e costi di pulizia e pianificare la manutenzione preventiva.
I semplici metodi di valutazione descritti in questo articolo sono a disposizione di qualsiasi impiantista senza attrezzature specializzate. Il test della manciata, il test del mucchio, il test del graffio, il test dell'acqua e il test di assestamento forniscono informazioni pratiche che guidano le decisioni di pulizia.
La proprietà più importante per la maggior parte dei materiali è il contenuto di umidità. I materiali secchi scorrono più facilmente dei materiali bagnati. Il controllo dell’umidità è spesso la misura preventiva più efficace. Per i materiali che non possono essere controllati dall'umidità, i metodi di pulizia devono essere selezionati in base alle loro altre proprietà.
La dimensione delle particelle, la coesione, la durezza, la comprimibilità, la sensibilità alla temperatura e le proprietà chimiche influiscono tutti sulla difficoltà di pulizia. Abbinare il metodo di pulizia a queste proprietà aumenta la probabilità di successo e riduce i tempi e i costi della pulizia.
Gli ingegneri impiantisti che conoscono i materiali prendono decisioni migliori in materia di pulizia. Puliscono quando necessario, non secondo un programma fisso. Selezionano metodi che funzionano, non metodi disponibili. Inoltre prevengono i problemi anticipando il modo in cui le proprietà dei materiali influenzeranno le prestazioni del silo.
