JP2010064282A

JP2010064282A - サイロからの粉体抜き出し容易性判定方法

Info

Publication number: JP2010064282A
Application number: JP2008230318A
Authority: JP
Inventors: Shoji Hisayoshi; 昭二久芳; Ichiro Ebato; 一郎江波戸; Masato Kiyota; 正人清田; Tomoharu Oba; 智晴大場
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-08
Also published as: JP5408524B2

Abstract

【課題】サイロからの粉体の抜き出し容易性を簡単かつ高い精度で判定可能なサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法を提供するを提供する。
【解決手段】セメントを模擬的にセメントサイロ１０内と同等の圧密状態とし、凝集による粉体層の強度を直接計測するので、セメントサイロ１０内からセメントが払い出せない現象を事前に予測でき、セメントの物性値、温度条件および外力による要因と凝集との関連性を定量的に評価でき、セメントサイロ１０からのセメントの抜け易さを定量的に判断できる。
【選択図】図１

Description

この発明はサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法、詳しくは粉体のサイロ内での圧密状態を再現し、粉体の凝集によるサイロの詰まりの危険性を推測可能なサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法に関する。

セメント製造設備では、出荷前のセメントがセメントサイロに投入され、一時貯蔵されている。大型のサイロになれば、その高さは数１０メートルにも達する。その場合、サイロ内ではセメントが圧密され、セメント粒子の圧密による凝集現象が発生する。圧密されたセメントはサイロ内で滞留し、外部に抜き出せずにサイロの貯蔵能力を低下させてしまう。そこで、セメントサイロを設計する際には、サイロ下部の抜き出し口からのセメントの抜き出し容易性を考慮する必要があった。

一般に粉体の物性値は、特許文献１に開示された粉体測定装置などによって測定された安息角、崩潰角、圧縮度、分散度などで決定される。また、非特許文献１の粉体測定方法により求めた付着力、せん断力でも評価される。
このような物性値に基づき、例えば特許文献２に開示された従来技術のように、サイロ下部の円錐部の傾斜角度を調整し、前記抜き出し口からのセメントの抜き出し易さを高めていた。

特許第２７９８８３５号公報特開２００７−９０６００号公報洪：「粉体と工業」Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．１０（１９９２）

しかしながら、セメントサイロ内でセメントが長期間貯蔵された場合、特許文献１，２の粉体試験方法で示された物性値および凝集状態では、セメントサイロからのセメントの抜き出し容易性を十分に評価することができなかった。

そこで、発明者は、鋭意研究の結果、サイロ内で貯蔵された粉体を、サイロ外で模擬的にサイロ内と同等の圧密状態とし、凝集による粉体層の強度を直接計測して粉体の凝集特性を評価することで、貯蔵条件により異なるサイロでの粉体の圧密状態が再現され、サイロからの抜き出し易さを、簡単かつ高い精度で推測できることが分かり、この発明を完成させた。

この発明は、サイロからの粉体の抜き出し容易性を簡単かつ高い精度で判定することができるサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、サイロに貯蔵された粉体に対して、前記サイロ内での圧密度の最大値を算出し、次に、供試体作製容器に充填された前記粉体に対して、５〜６０℃でかつ前記算出された圧密度を２０〜５０倍した圧力を所定時間作用させて供試体を作製し、作製された該供試体を使用して前記粉体の圧密試験を行い、その圧密試験値に基づき、前記サイロからの前記粉体の抜き出し容易性を判定するサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法である。

粉体の種類は任意である。例えば、セメント、セメント固化材、セメント製造設備内で取り扱われる各種の粉体（セメント原料粉、石炭灰、炭酸カルシウム粉、スラグ粉、シリカ粉、ダストなど）が挙げられる。

サイロとは粉体の貯蔵槽で、例えばホッパ、底面が平坦なタンクも含まれる。
「サイロ内での圧密度の最大値」とは、粉体をサイロ内で貯蔵したとき、最も圧密力が高まった部分の圧密度の値である。
粉体の圧密度の最大値の算出方法は任意である。

供試体作製容器の形状や大きさは、作製される供試体に応じて適宜変更される。
供試体を作製する際の供試体の温度が５℃未満は、実際にサイロ内で貯蔵されるセメント温度としては著しく低く、現実的ではない。また、６０℃を超えれば、セメント中の石膏の脱水による変性および脱水した水とセメントの水和という不都合が生じる。
供試体に作用させる圧力、加圧時間などは、サイロ内での粉体の貯蔵条件に応じて適宜設定される。
算出された圧密度の倍数が２０倍未満では、脱型時の供試体の崩壊または粉体の抜き出し容易性の評価不能という不都合が生じる。また、５０倍を超えれば、過度な圧密の反発力による供試体の崩壊が生じる。算出された圧密度の倍数は、２０〜３０倍が好ましい。この範囲であれば、一軸圧縮試験、針貫入試験、ふるい全通試験のすべてを良好に行うことができる。一方、４０〜５０倍では、供試体が硬すぎて一軸圧縮試験は良好に行うことができない。

上記圧密試験は次の方法により行う。
（１）乾燥機による貯蔵後に脱型し、供試体に対して一軸圧縮試験を行い、供試体の一軸圧縮強度を測定する。
（２）貯蔵後脱型せず、供試体に対して針貫入抵抗試験を行い、供試体の針貫入抵抗値を測定する。
（３）この（１）による一軸圧縮試験後の供試体を網目が１．２ｍｍのふるいに乗せ、３ｋｇの荷重を作用させた状態で、バイブレータによる供試体のふるい全通時間を計測する。

抜き出し容易性の判断基準としては、例えば、一軸圧縮強度、針貫入抵抗およびふるい通過時間またはこれらの間と乾燥機内での貯蔵温度および貯蔵期間との関係などを採用することができる。
セメントの抜き出し易さ（圧密度）を調整する場合には、例えば、（ａ）セメントの粉末度（ブレーン値）、（ｂ）セメント中のＳＯ_３量、（ｃ）サイロ投入時のセメントの温度（セメント貯蔵温度）、（ｄ）サイロ内でのセメントの貯蔵量など、所定のパラメータの変更を行う。

請求項１に記載の発明によれば、まずサイロに貯蔵される粉体の圧密度の最大値を所定の計算式に基づいて算出する。次に、サイロ内の粉体と同じものを所定の供試体作製容器に充填する。その後、供試体作製容器内の粉体に対して、５〜６０℃でかつ算出された圧密度を２０〜５０倍した圧力を所定時間作用させ、粉体を模擬的にサイロ内と同等の圧密状態として供試体を作製する。次いで、この供試体を使用し、粉体に対する所定の圧密試験を行う。この試験により得た圧密試験値に基づき、サイロからの粉体の抜き出し容易性を判定する。このように判定するので、貯蔵条件で異なる粉体の圧密状態がサイロ外で再現され、凝集による粉体層の強度を、直接、計測することができる。よって、粉体の抜き出し容易性（粉体の凝集特性）を、簡単かつ高精度に評価することができる。また、算出された圧密度を２０〜５０倍することで、供試体作製後、型枠から供試体を容易に脱型することができる。
上記のように、粉体のサイロ内での凝集には、サイロ内での粉体に作用する圧力、貯蔵温度および貯蔵期間が関係する。そのため、粉体をサイロに貯蔵する場合、粉体に作用する粉体圧、貯蔵温度および貯蔵期間を適切に管理することが必要である。具体的には、この管理方法を判断する指標として、例えばφ５ｃｍ×１０ｃｍの鋼製型枠（供試体作製容器）に１５０ｇの粉体を充填し、一軸圧縮試験に基づいて加圧し、さらに鋼製クランプを使用して粉体の圧密状態を保持した状態のまま、乾燥機内に一定期間貯蔵する。その後、以下の試験を行うことで粉体の圧密力およびサイロからの抜け易さを定量的に評価することができる。

請求項２に記載の発明は、前記圧密度の算出式は、

で、Ｐｖ：圧密度であって、単位面積当たりの鉛直圧力（ｔ／ｍ^２）、γ：粉体の単位体積重量、Ｋ_ｓ：（１−ｓｉｎφ）／（１＋ｓｉｎφ）、φ：粉体の内部摩擦角、μ_ｆ：槽壁面摩擦係数、γ_ｗ：水圧半径（Ａ／Ｉ_ｃ）、Ａ：貯槽水平断面積（ｍ^２）、Ｉ_ｃ：貯槽内法周長（ｍ）、ｘ：自由表面からの深さ（ｍ）である請求項１に記載のサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法である。

粉体の内部摩擦角は粉体力学物性表［ＩＳＯ／ＴＣ９８／ＳＣ３／ＷＧ５］（日本建築学会編「容器構造設計指針・同解説」）に示されている。例えば、セメントクリンカの内部摩擦角は３０°〜３１°であり、粒径３００〜４００メッシュのセメントの内部摩擦角は４０°である。

請求項２に記載の発明によれば、この算出式を使用することで、サイロに貯蔵された粉体の圧密度の最大値を正確に算出することができる。

請求項３に記載の発明は、前記圧密試験は、前記供試体の一軸圧縮試験、前記供試体の針貫入試験、前記供試体の圧壊物のふるい全通試験のうち、少なくとも１つである請求項１または請求項２に記載のサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法である。

一軸圧縮試験はＪＩＳＡ１２１６に則って行う。また、針貫入試験は、外径０．８４ｍｍの針をこの圧塊物に垂直に貫入させ、その貫入量が１０ｍｍとなった時の貫入荷重を測定し、この貫入荷重を貫入量（１０ｍｍ）で除すことで、針貫入勾配を算出する。さらに、供試体の圧壊物のふるい全通試験は、所定量の圧壊物を網目１．２ｍｍのふるいに乗せ、この圧壊物に重さ２〜５ｋｇの荷重をかけ、この圧塊物を押圧しながら、バイブレータによりふるいを振動させ、圧壊物がふるいを全通する時間を測定する。
圧密試験は、一軸圧縮試験のみ、供試体の針貫入試験のみ、供試体の圧壊物のふるい全通試験のみでも、これらの２種類または全てでもよい。

請求項３に記載の発明によれば、一軸圧縮試験を採用した場合には、サイロ内の粉体の物性値のうち、特にサイロの中央（中心部）の内部拘束力について、高精度に判定することができる。また、針貫入試験を採用した場合には、サイロ内の粉体物性値のうち、特に外部拘束力が作用する場合の側壁付近の圧密度について、高精度に判定することができる。さらに、供試体の圧壊物のふるい全通試験を採用した場合には、サイロ内の粉体の物性値のうち、特に抜き出し口付近における崩壊容易性について、高精度に判定することができる。

請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、粉体を模擬的にサイロ内と同等の圧密状態とし、凝集による粉体層の強度を直接計測するので、サイロ内から粉体が払い出せない現象を事前に予測することができる。しかも、粉体の物性値、温度条件および外力による要因と凝集との関連性を定量的に評価することができ、サイロからの粉体の抜け易さを定量的に判断することができる。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。

図１中、１０はセメント製造設備の仕上げ工程部のセメントサイロ（サイロ）で、セメントサイロ１０は、軸線方向の全長にわたって直径が均一な円筒形状の直胴部１１と、直胴部１１の下縁にラッパ形状のコーン部１２が連結されたものである。コーン部１２の下端部（底部）には、セメントの抜き出し口１３が連通されている。セメントサイロ１０は鋼製またはＲＣ造（鉄筋コンクリート）製で、その全高ａは１８．４５ｍである。このうち、直胴部１１の高さｂは１２．４５ｍ、直胴部１１の直径ｃは１２．９ｍである。コーン部１２の高さｄは６．０ｍ、コーン部１２の法面の傾斜角度θは、４５°である。セメントとしては、普通ポルトランドセメント（Ｎ）、早強ポルトランドセメント（Ｈ）、高炉セメントＢ種（ＢＢ）、セメント系固化材（ＵＳ１０）の４種類が採用される。各セメントの物性を表１に示す。

ここで、上記普通ポルトランドセメント（Ｎ）、早強ポルトランドセメント（Ｈ）、高炉セメントＢ種（ＢＢ）、セメント系固化材（ＵＳ１０）について、実際にサイロにセメントを１ｔ投入し、１週間〜４週間貯蔵した後、抜き出しを行った。この時の抜き出しに係る時間を測定し、評価を行った。評価について、１ｔ当たりの抜き出し時間が１分以内を○、１分〜２分であれば△、２分以上であれば×（不良）とした。その結果を表２に示す。

次に、抜き出し容易性の判定に用いる圧密度の説明を行う。
セメントサイロ１０の内部空間において、セメントの圧密度の最大位置（最大領域）Ａは、コーン部１２内の抜き出し口形成部付近である。
セメントサイロ１０の内部空間での圧密度の最大値を、次式により求める。
すなわち、圧密度の算出式は、

である。

式中、Ｐｖ：圧密度であって、単位面積当たりの鉛直圧力（ｔ／ｍ^２）、
γ：粉体の単位体積重量、
Ｋ_ｓ：（１−ｓｉｎφ）／（１＋ｓｉｎφ）、
φ：粉体の内部摩擦角、
μ_ｆ：槽壁面摩擦係数、
γ_ｗ：水圧半径（Ａ／Ｉ_ｃ）、
Ａ：貯槽水平断面積（ｍ^２）、
Ｉ_ｃ：貯槽内法周長（ｍ）、
ｘ：自由表面からの深さ（ｍ）、
である。

次に、図２のフローシートを参照し、供試体の作製方法について説明する。
まず、図示しない鋼製の供試体作製容器（直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍ）を準備する。これに所定のセメント１５０ｇを投入する（ステップ２０１）。その後、供試体作製容器の上面の開口部から、押し棒を容器内へ１０ｍｍ／ｍｉｎで挿入し、前記式により算出された圧密度を３０倍した圧力に達するまで加圧する（ステップ２０２）。
次いで、いったん加圧状態を解除し、鋼製クランプを使用してセメントの加圧を再開する（ステップ２０３）。それから、図示しない鋼製クランプによる加圧を維持したまま供試体作製容器を乾燥機に挿入し、乾燥機内でセメントを２０℃〜８０℃で１ヶ月間乾燥する（ステップ２０４）。

次に、この完成した供試体に圧密試験を行う。ここでの圧密試験は、（１）一軸圧縮強度試験（ステップ２０５）と、（２）針貫入試験（ステップ２０７）と、（３）供試体の圧壊物に対するふるい全通試験（ステップ２０６）との３種類である。
（１）一軸圧縮強度試験はＪＩＳＡ１２１６により則る。
（２）針貫入試験は、針貫入試験器を使用する一軸圧縮強度試験で、外径０．８４ｍｍの針をこの圧塊物に垂直に貫入させ、その貫入量が１０ｍｍとなった時の貫入荷重を測定し、この貫入荷重を貫入量（１０ｍｍ）で除すことで、針貫入勾配を算出する。
（３）供試体の圧壊物に対するふるい全通試験は、所定量の圧壊物を網目１．２ｍｍのふるいに乗せ、この圧壊物に重さ２〜５ｋｇの荷重をかけ、この圧塊物を押圧しながら、バイブレータによりふるいを振動させ、圧壊物がふるいを全通する時間を測定する。
試験の流れは、まず、上記ステップ２０４の工程で乾燥された供試体作成容器に入っている供試体に、針貫入試験を行う（ステップ２０７）。この針貫入試験とは別に、供試体作成容器に入っている供試体を取り出し、一軸圧縮強度試験を行う（ステップ２０５）。そして、一軸圧縮強度試験終了後の試験片を用いてふるい全通試験を行う（ステップ２０６）。

次に、上記圧密試験の各試験値に基づき、セメントサイロ１０からのセメントの抜き出し容易性を判定する（ステップ２０８）。
表２の結果から、抜き出し評価が不良であったＵＳ１０を用いて評価基準線を算出した。図３〜図５を用いて具体的に説明する。まず、鋼製の供試体作製容器（直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍ）を準備する。これにＵＳ１０を１５０ｇ投入する（ステップ３０１）。その後、供試体作製容器の上面の開口部から、押し棒を容器内へ１０ｍｍ／ｍｉｎで挿入し、圧力を所定の圧力まで加圧する（ステップ３０２）。その後、上記一軸圧縮強度試験（ステップ３０３）、上記針貫入試験（ステップ３０４）、上記ふるい全通試験を行う（ステップ３０５）。
一軸圧縮強度試験にて得られた結果から、成形圧に対する圧縮強度の測定値をグラフにプロットし、最小二乗法により評価基準線を算出する（ステップ３０６）。ここで成形圧とは、供試体の作製時、ＵＳ１０に加圧した圧力のことである。
次に、針貫入試験で得られた結果から、成形圧に対する針貫入勾配の測定値をグラフにプロットし、最小二乗法により評価基準線を算出する（ステップ３０７）。
次に、ふるい全通試験で得られた結果から、成形圧に対するふるい全通時間をグラフにプロットし、最小二乗法により評価基準線を算出する（ステップ３０８）。
本実施例において、一軸圧縮強度試験、針貫入試験、ふるい全通試験を行い、成形圧に対する圧縮強度の評価基準を図６（ａ）、成形圧に対する針貫入勾配の評価基準を図７（ａ）、成形圧に対するふるい全通時間の評価基準を図８（ａ）に示す。

次に、実際に、実施例１のセメントサイロ１０を使用し、普通ポルトランドセメント（Ｎ）、早強ポルトランドセメント（Ｈ）、高炉セメントＢ種（ＢＢ）、セメント系固化材（ＵＳ１０）について、セメントサイロ１０からのセメントの抜き出し容易性を判定した。成形圧に対する圧縮強度を図６（ｂ）、成形圧に対する針貫入勾配を図７（ｂ）、成形圧に対するふるい全通時間を図８（ｂ）に示す。合わせて、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）で算出した評価基準線を図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）に示す。この図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）において評価基準より上方であれば抜き出し容易性に問題があり、評価基準線より下方であれば、抜き出し容易性に問題がないと判定する。

実施例１において、サイロ内での圧密度の最大値を算出すると、０．１〜０．３Ｎ／ｍｍ^２であった。
図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）のグラフから抜き出し容易性を判断すると、成形圧が２〜９Ｎ／ｍｍ^２において、ＵＳ１０を除くＮ，Ｈ，ＢＢの３つのセメントについては、セメントサイロ１０からの抜き出し容易性には問題がないと判定される。
この結果を、上記表２と照らし合わせると、抜き出し容易性に問題がないと判定されるセメントは、抜き出し時間にも問題はないことが分かる。
このように、抜き出し容易性の判定と抜き出し時間には密接な関連があることが判明した。

このように判定を行うため、貯蔵条件で異なるセメントの圧密状態がサイロ外で再現され、圧密による粉体層の圧密拘束力を、直接、計測することができる。よって、セメントの抜き出し容易性（セメントの圧密特性）を、簡単かつ高精度に評価することができる。

この発明の実施例１におけるセメントサイロの模式図である。この発明の実施例１における粉体抜き出し容易性判定方法の手順を示すフローシートである。この発明の実施例１における一軸圧縮試験による評価基準線の算出方法の手順を示すフローシートである。この発明の実施例１における針貫入試験による評価基準線の算出方法の手順を示すフローシートである。この発明の実施例１におけるふるい全通試験による評価基準線の算出方法の手順を示すフローシートである。（ａ）この発明の実施例１における成形圧に対する圧縮強度の評価基準を示すグラフである。（ｂ）この発明の実施例１における成形圧に対する圧縮強度の関係を示すグラフである。（ａ）この発明の実施例１における成形圧に対する針貫入勾配の評価基準を示すグラフである。（ｂ）この発明の実施例１における成形圧に対する針貫入勾配の関係を示すグラフである。（ａ）この発明の実施例１における成形圧に対するふるい全通時間の評価基準を示すグラフである。（ｂ）この発明の実施例１における成形圧に対するふるい全通時間の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０セメントサイロ（サイロ）。

Claims

サイロに貯蔵された粉体に対して、前記サイロ内での圧密度の最大値を算出し、
次に、供試体作製容器に充填された前記粉体に対して、５〜６０℃でかつ前記算出された圧密度を２０〜５０倍した圧力を所定時間作用させて供試体を作製し、
作製された該供試体を使用して前記粉体の圧密試験を行い、
その圧密試験値に基づき、前記サイロからの前記粉体の抜き出し容易性を判定するサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法。
前記圧密度の算出式は、

で、
Ｐｖ：圧密度であって、単位面積当たりの鉛直圧力（ｔ／ｍ^２）
γ：粉体の単位体積重量
Ｋ_ｓ：（１−ｓｉｎφ）／（１＋ｓｉｎφ）
φ：粉体の内部摩擦角
μ_ｆ：槽壁面摩擦係数
γ_ｗ：水圧半径（Ａ／Ｉ_ｃ）
Ａ：貯槽水平断面積（ｍ^２）
Ｉ_ｃ：貯槽内法周長（ｍ）
ｘ：自由表面からの深さ（ｍ）
である請求項１に記載のサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法。
前記圧密試験は、前記供試体の一軸圧縮試験、前記供試体の針貫入試験、前記供試体の圧壊物のふるい全通試験のうち、少なくとも１つである請求項１または請求項２に記載のサイロからの粉体抜き出し容易性判定方法。