26
 Modern Technological  Developments  in the Storage and Handling of  Bulk Solids A. W. Roberts Director, School of  Engineering, Director TUNRA Ltd, The University of  Newcastle, NSW, Australia Acknowledgements : Bionic Research Institute ‐ Chute Design Conference 1992 SUMMARY This paper presents an overview of  some modern developments in the technology of  bulk solids handling. An overview of  storage system design including bins and gravity reclaim stockpiles is presented and aspects of  feeder performance is given. The importance of  wall or boundary friction in hopper and chute design is discussed and the associated adhesion and wear characteristics are outlined in relation to the selection of  appropriate lining materials. Problems due to flow instabilities during discharge from coal bins are reviewed; these flow pulsations may give rise to severe dynamic loads on the bin structure. 1. INTRODUCTION Throughout the world bulk materials handling operations perform a key function in a great number and variety of  industries. While the nature of  the handling tasks and scale of  operation vary from one industry to another and, on the international scene, from one country to another according to the industrial and economic base, the relative costs of  storing, handling and transporting bulk materials are, in the majority of  cases, very significant. It is important, therefore, that handling systems be designed and operated with a view to achieving maximum efficiency and reliability .Directly related to these objectives is the ongoing need for engineers and those involved in the operation of  handling plants to be kept informed of  the latest research and technological developments relevant to their industry and, at the same time, contributing to these developments and to the dissemination of  information in the light of  their own experiences. The theme embodied in the foregoing remarks is of  particularly relevance to Australia in view of  the heavy dependence on bulk handling operations. While these operations range across the broad spectrum of  industries, of  prime importance are the mining and mineral processing industries which handle coal and mineral ores in large tonnages. These industries make a major contribution to Australia's export earnings and economic growth. Over the past three decades much progress has been made in the theory and practice of  bulk solids handling. Reliable test procedures for determining the strength and flow properties of  bulk solids have been developed and analytical methods have been established to aid the design of  bulk solids storage and discharge equipment. There has been wide acceptance by industry of  these tests and design procedures and, as a result, there are numerous examples throughout Australia of  modem industrial bulk solids handling installations which reflect the technological  developments that have taken place. Notwithstanding the current situation, the level of  sophistication required by industry demands, in many cases, a better understanding of  the behaviour of  bulk solids and the associated performance criteria for handling plant design. Experience indicates that the solution one problem which leads to an improvement in plant performance often exposes other problems which need to be solved. It becomes progressively clearer that there are many gaps in the present state of  knowledge where further research is necessary. The purpose of  this paper is to briefly highlight the present state of  knowledge associated with bulk handling and indicate where further work is necessary. The material presented is based on the research conducted by Tunra Bulk Solids Handling Research Associates of  the University of  Newcastle. This research group has been involved in bulk handling research and industrial consulting for some considerable time and in recent years has been .supported by research grants obtained from AMIRA. 

Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 1/26

 

Modern Technological Developments in the Storage and Handling of  Bulk Solid

A. W. Roberts 

Director, School of  Engineering, Director TUNRA Ltd, 

The University of  Newcastle, NSW, Australia 

Acknowledgements : Bionic Research Institute ‐ Chute Design Conference 1992 

SUMMARY 

This paper presents an overview of  some modern developments in the technology of  bulk solids handling. An overv

of  storage system design including bins and gravity reclaim stockpiles is presented and aspects of  feeder performanc

given. The importance of  wall or boundary friction in hopper and chute design is discussed and the associated adhes

and wear characteristics are outlined  in relation to the selection of  appropriate  lining materials. Problems due to f

instabilities during discharge from coal bins are reviewed; these flow pulsations may give rise to severe dynamic loads

the bin structure. 

1. INTRODUCTION 

Throughout  the world  bulk materials  handling  operations  perform  a  key  function  in  a  great  number  and  variety

industries. While the nature of  the handling tasks and scale of  operation vary from one industry to another and, on 

international scene,  from one country  to another according to the  industrial and economic base, the relative cost

storing, handling and transporting bulk materials are, in the majority of  cases, very significant. It is important, theref

that handling systems be designed and operated with a view to achieving maximum efficiency and reliability  .Dire

related to these objectives is the ongoing need for engineers and those involved in the operation of  handling plant

be kept  informed of   the  latest  research and  technological developments  relevant  to  their  industry and, at  the  sa

time, contributing to these developments and to the dissemination of  information in the light of  their own experience

The theme embodied in the foregoing remarks is of  particularly relevance to Australia in view of  the heavy depende

on bulk handling operations. While these operations range across the broad spectrum of  industries, of  prime importa

are the mining and mineral processing industries which handle coal and mineral ores in large tonnages. These indust

make a major contribution to Australia's export earnings and economic growth. 

Over the past three decades much progress has been made  in the theory and practice of  bulk solids handling. Relia

test procedures  for determining  the  strength and  flow properties of  bulk  solids have been developed and analyt

methods have been established to aid the design of  bulk solids storage and discharge equipment. There has been w

acceptance by industry of  these tests and design procedures and, as a result, there are numerous examples through

Australia of  modem industrial bulk solids handling installations which reflect the technological developments that h

taken place. 

Notwithstanding the current situation, the level of  sophistication required by industry demands, in many cases, a be

understanding  of   the  behaviour  of   bulk  solids  and  the  associated  performance  criteria  for  handling  plant  des

Experience indicates that the solution one problem which leads to an improvement in plant performance often expo

other problems which need to be solved. It becomes progressively clearer that there are many gaps in the present st

of  knowledge where further research is necessary. 

The  purpose  of   this  paper  is  to  briefly  highlight  the  present  state  of   knowledge  associated with  bulk  handling 

indicate where  further work  is necessary. The material presented  is based on  the  research  conducted by Tunra B

Solids  Handling  Research  Associates  of   the  University  of  Newcastle.  This  research  group  has  been  involved  in  b

handling  research  and  industrial  consulting  for  some  considerable  time  and  in  recent  years has been  .supported

research grants obtained from AMIRA. 

Page 2: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 2/26

 

2. HANDLING PLANT DESIGN ‐ BASIC CONCEPTS 

2. 1 General Remarks 

The design of  handling plant, such as storage bins, gravity reclaim stockpiles, feeders and chutes is basically a four s

process: 

i.  Determination  of   the  strength  and  flow  properties  of   the  bulk  solids  for  the  worst  likely  flow  conditi

expected to occur in practice. 

ii.  Determination of   the bin,  stockpile,  feeder or chute geometry  to give  the desired capacity,  to provide a  f

pattern with acceptable characteristics and to ensure that discharge is reliable and predictable. 

iii.  Estimation  of   the  loading  on  the  bin  and  hopper  walls  and  on  the  feeders  and  chutes  under  opera

conditions. 

iv.  Design and detailing of  the handling plant including the structure and equipment. 

The general theory pertaining to gravity flow of  bulk solids and associated design procedures are fully documented [1

For the purpose of  the present discussion, the salient aspects of  the general philosophy are briefly reviewed. 

2.2 Modes of  Flow in Bins of  Symmetrical Geometry 

As is now well established, there are two basic modes of  flow, namely, mass‐flow and funnel‐flow. These are illustra

in Figure 1. 

In mass‐flow, the bulk solid is in motion at every point within the bin whenever material is drawn from the outlet. Th

is  flow of  bulk  solid  long  the walls of   the  cylinder  (the upper parallel  section of   the bin) and  the hopper  (the  lo

tapered section of  the bin). Mass‐flow guarantees complete discharge of  the bin contents at predictable flow rates. 

as a first‐in, first‐out flow pattern; when properly designed, a mass‐flow bin can re‐mix the bulk solid during discha

should  the solid become segregated upon  filing of  the bin. Mass‐flow requires steep, smooth hopper surfaces and

abrupt transitions or in‐flowing valleys. 

Mass‐flow bins are classified according to the hopper shape and associated flow pattern. The two main hopper types

conical hoppers which operate with axi‐symrnetric flow and wedged‐shaped or chisel‐shaped hoppers  in which plaflow occurs. In plane‐flow bins, the hopper half ‐angle a will usually be, on average, approximately 8 to 10 larger than 

corresponding value for axi‐symmetric bins with conical hoppers. 

Figure 1. Modes of  Flow 

Therefore, they offer larger storage capacity for the same head room than the axi‐symmetric bin, but this advantag

somewhat offset by the long slotted opening which can give rise to feeding problems. The transition hopper, which 

plane‐flow sides and conical ends, offers a more acceptable opening slot length. Pyramid shaped hoppers, while sim

Page 3: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 3/26

 

to manufacture, are undesirable in view of  build‐up of  material that is likely to occur in the sharp corners or in‐flow

valleys. This may be overcome by fitting triangular‐shaped gusset plates in the valleys. 

Funnel‐flow occurs when the hopper  is not steeply sloped and the walls of  the hopper are not smooth enough. In 

case, the bulk solid sloughs off  the top surface and falls through the vertical flow channel that forms above the open

Flow is generally erratic and gives rise to segregation problems. Flow will continue until the level of  the bulk solid in 

bin drops an amount HD equal to the draw‐down. At this level, the bulk strength of  the contained material is suffic

to sustain a stable rat‐hole of  diameter Df  as illustrated in Figure 1(b). Once the level defined by HD is reached, ther

no further flow and the material below this level represents 'dead' storage. This is a major disadvantage of  funnel‐fl

For complete discharge, the bin opening needs to be at least equal to the critical rathole dimension determined at 

bottom of  the bin corresponding to the bulk strength at this level. However, for many cohesive bulk solids and for 

normal consolidation heads occurring in practice, rat‐holes measuring several meters are often determined. This ma

funnel‐flow  impracticable.  Funnel‐flow  has  the  advantage  of   providing  wear  protection  of   the  bin  walls,  since 

material flows against stationary material. However it is a 'first‐in last‐out' flow pattern which is unsatisfactory for b

solids that degrade with time. It is also unsatisfactory for fine bulk solids of  low permeability. Such materials may aer

during discharge through the flow channel and this can give rise to flooding problems or uncontrolled discharge. 

The disadvantages of   funnel‐flow are overcome by the use of  expanded‐flow, as  illustrated  in Figure 2. This combi

the wall protection of  funnel‐flow with the reliable discharge of  mass‐flow. Expanded‐flow is ideal where large tonna

of  bulk solid are to be stored. For complete discharge, the dimension at the transition of  the funnel‐flow and mass‐f

sections must  be  at  least  equal  to  the  critical  rathole  dimension  at  that  level.  Expanded‐flow  bins  are  particulsuitable for storing large quantities of  bulk solids while maintaining acceptable head heights. The concept of  expand

flow may be used to advantage in the case of  bins or bunkers with multiple outlets. 

Figure 2. Expanded Flow 

Generally speaking, symmetric bin shapes provide the best performance. Asymmetric shapes often lead to segregat

problems with free flowing materials of  different particle sizes and makes the prediction of  wall loads very much m

difficult. 

2.3 Mass‐Flow and Funnel‐Flow Limits for Symmetrical Bins 

(a) Established Theory due to Jenike 

The mass‐flow and funnel‐flow  limits have been defined by Jenike on the assumption that a radial stress field exist

the hopper [1,2]. These limits are well known and have been used extensively and successfully in bin design. The lim

for axi‐symmetric or conical hoppers and hoppers of  plane‐symmetry depend on the hopper half ‐angle α, the effec

angle of   internal  friction 8 and  the wall  friction angle Φ. Once  the wall  friction angle and effective angle of   inte

friction δ have been determined by laboratory tests, the hopper half ‐angle may be determined. In functional form 

α = ( Φ,δ ) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (1) 

The bounds for conical and plane‐flow hoppers are plotted for three values of δ in Figure 3. In the case of  conical or 

symmetric hoppers, it is recommended that the half ‐angle be chosen to be 3 less than the limiting value. For plane‐fl

Page 4: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 4/26

 

the bounds between mass and funnel‐flow are much less critical than for conical hoppers. In plane‐flow hoppers, m

larger hopper half  angles are possible which means that the discharging bulk solid will undergo a significant chang

direction as it moves from the cylinder to the hopper. 

For plane‐flow, the design  limit may be selected;  if  the transition of  the hopper and cylinder  is sufficiently radiused

that the possibility for material to build‐up by adhesion is significantly reduced, then a half ‐angle 3 to 4 larger than 

limit may be chosen. 

Figure 3. Limits for Mass‐flow for Conical and Plane‐Flow Channels 

(b) Modification to Mass‐Flow Limits ‐More Recent Research 

Since  in  the work  of   Jenike,  flow  in  a  hopper  is  based  on  the  radial  stress  field  theory,  no  account  is  taken of  

influence of   the  surcharge head due  to  the  cylinder on  the  flow pattern developed, particularly  in  the  region of  

transition. It is been known for some time that complete mass‐flow in a hopper is influenced by the cylinder surcha

head. For instance, there is a minimum level Hcr which is required to enforce mass‐flow in the hopper [5]. For the m

flow bin of  Figure 1(a), this height ranges from approximately O.75D to 1.0 D. 

More recent research has shown that the mass‐flow and funnel‐flow limits require further explanation and refinem

For  instance,  Jenike  [6] published  a new  theory  to  improve  the prediction of   funnel‐flow;  this  led  to new  limits 

funnel‐flow which  give  rise  to  larger  values of   the hopper  half ‐angle  than previously predicted, particularly  for hvalues of  the wall friction angle. In the earlier theory, the boundary between mass‐flow and funnel‐flow was based

the condition that the stresses along the centre line of  the hopper became zero. In the revised theory the flow bound

is based on the condition that the velocity becomes zero at the wall. 

In a comprehensive study of   flow  in silos, Benink [7] has  identified three  flow regimes, mass‐flow, funnel‐flow and

intermediate  flow as  illustrated  in Figure 4. Whereas  the  radial  stress  theory  ignores  the  surcharge head, Benink 

shown  that  the  surcharge head has a  significant  influence on  the  flow pattern generated. He derived a  fundame

relationship for Hcr in terms of  the various bulk solid and hopper geometrical parameters, notably the H/D ratio of  

cylinder and the effective angle of  internal friction δ. Benink developed a new theory, namely the arc theory, to quan

the boundaries for the three flow regimes. This theory predicts the critical height Hcr at which the flow changes. 

Figure 4. Flow Regimes for Plane‐Flow Hopper defined by Benink [7] 

Page 5: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 5/26

 

2.4 Bin Geometry for Mass‐Flow 

(a) Basic Considerations 

Basically  the  aim  in mass‐flow  design  is  to determine  the hopper  geometry  to  give  reliable  flow  at  all  times  at 

required discharge rate. Primarily, the requirement is to determine the hopper half  angle α, which defines the slope w

respect to the vertical, and opening dimension B. 

Undisturbed storage time and changes  in moisture content can significantly  influence the unconfined yield strength

the bulk solids. By way of  illustration, the critical hopper opening dimension B for three Hunter Valley coals plotted 

function of  moisture content are shown in Figure 5. This figure shows three coal samples, Sample (1) being a Raw O

Cut Coal, Sample (2) a washed version of  (1) and Sample (3), a blend of  (2). The high strength of  the raw, unwashed c

is clearly evident. Experience has shown that the peak bulk strength of  coal may occur at a moisture content somewh

between 70% and 90% of  the saturation limit. 

(b) Influence of  Wall Friction 

Since an  increase  in both the normal wall pressure and consolidation pressure accompany an  increase  in hopper sp

then  the corresponding decrease  in wall  friction angle will permit  the hopper half  angles  to be  increased. Hence 

possible to calculate a hopper half  angle α as a function of  hopper span or opening dimension as indicated in Figure 6

shown,  the  half   hopper  angles  for  both  wedge  and  conical  hoppers  tend  towards  limiting  values  as  the  opendimension increases. 

2.5 FUNNEL‐FLOW AND EXPANDED‐FLOW GEOMETRY 

As previously discussed,  it  is necessary  to compute  the critical or minimum diameter Df   for an unstable pipe or "

hole"  from  which  the  minimum  bin  opening  for  funnel‐flow  or  the  transition  dimension  for  expanded‐flow

determined. The transition dimension for expanded‐flow refers to the transition of  the mass‐flow hopper with the up

funnel‐flow section of  the bin. 

Figure 5 Critical Opening Dimension BCR as a Function of  Moisture Content for Three Coal Samples ‐Stainless Stee1304‐2B Linin

Figure 6 Variation of  Hopper Half ‐Angle with Span for Coal on 304‐2B Stainless Steel 

Page 6: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 6/26

 

3. BIN WALL LOADS 

In bin design, the prediction of  bin wall  loads continues to be a subject of  some considerable complexity. In view o

obvious importance it is a subject that has, in recent years, attracted a good deal of  research effort. Currently, there 

several research groups in various countries of  the world directing their attention to the study of  bin wall loads usin

range of  analytical and numerical techniques such as those involving finite element analysis. Despite the widely vary

approaches to the analysis of  bin wall loads, it is clear that the loads are directly related to the flow pattern develope

the bin. 

The flow pattern which a mass‐flow bin exhibits  is reasonably easy to predict and  is reproducible. However,  in fun

flow bins the flow pattern is more difficult to ascertain, especially if  the bin has multiple outlet points, the loading of  

bin is not central and/or the bulk solid is prone to segregation. Unless there are compelling reasons to do otherwise,

shapes should be kept simple and symmetric. 

3.1 Wall Pressures in Mass‐Flow Bins 

In mass‐ flow bins, the pressures acting normal to bin walls vary from the static or filling conditions to the dynami

flow conditions. The pressure distributions are well defined and, using  current  theories  [3‐4], may be predicted w

confidence. 

It  is  to be noted  that  in  the  flow situation a high switch stress occurs at  the  transition. The magnitude of   this sw

stress is several times the corresponding static value. Further, it may also be noted that the wall pressures acting in 

cylindrical section during flow may be higher than the static values. For a perfectly parallel cylinder, the wall pressu

during  flow would be  the  same as  the  static values. However, when  imperfections  such as weld projections or p

shrinkage give  rise  to  flow convergences, peak  stresses occur. The  stresses are  taken  into account by  computing 

locus of  all such possible peak pressures. 

3.2 Wall Pressures in Funnel Flow Bins 

While  for design purposes wall pressures  in  symmetrical  funnel‐flow bins may be determined with a high degree

confidence,  the  wall  loading  in  bins  with  multiple  outlets  and  eccentric  discharge  points  are  far  more  difficult

estimate. Under eccentric discharge, the walls are subject to bending moments and hence, bending stresses in additto  hoop  stresses  [8].  In  the  case  of   tall  grain  silos,  the  use  of   anti‐dynamic  tubes  offers  significant  advantage

controlling the wall pressures, both in the case of  symmetrical funnel‐flow silos as well as silos with eccentric  load 

points [9‐10]. 

3.3 Australian Standard for Loads in Bulk Solid Containers 

In  recent years  there has been  considerable activity  in  several  countries of   the world  in  the development of  new

revised codes for bin wall  loads. Of  particular note  is the preparation of  the new Australian Standard "AS‐89138 Lo

for Bulk Solids Containers " [11], which represents a major milestone. This publication presents a very comprehen

review of  the loads acting in bin and silo walls under a the full range of  operating conditions likely to occur in practice

an example, Figure 7 shows the wall  loadings determined on the basis of  this new Standard for a large coal bin havseven outlets; the pressure profiles correspond to one possible mode of  discharge involving the operation one eccen

outlet only. 

Page 7: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 7/26

 

 

Figure 7. Circumferential Pressure Variation due to Operation of  One Eccentric Outlet 

4. FEEDING OF BULK SOLIDS 

4.1 Use of  Feeders to Control Discharge 

In general, a feeder is a device used to control the flow of  bulk solids from a bin. While there are several types of  feed

commonly used, it is essential that they be selected to suit the particular bulk solid and the range of  feed rates requi

It is particularly important that the hopper and feeder be designed as an integral unit so as to ensure that the flow fr

the hopper is fully developed with uniform draw of  material from the entire hopper outlet. For example, in the case screw feeder, this  is achieved by using selected combinations of  variable pitch, variable diameter and variable core

shaft diameter. 

In  the  case  of   a  belt  or  apron  feeder,  a  tapered  opening  is  required  as  illustrated  in  Figure  8.  The  use  of   vert

triangular plates in the hopper bottom are an effective way to achieve the required taper. The gate on the front of  

feeder is used only for flow trimming and not for controlling the flow rate. The height of  the gate is adjusted to give 

required  release angle Ψ to  achieve uniform draw  along  the  slot. Once  correctly  adjusted,  the  gate  is  then  fixed

position and the feed rate is controlled by varying the speed of  the feeder. 

Figure 8. Belt and Apron Feeder 

In the case of  vibratory  feeders, there  is a tendency for  feed to occur preferentially  from the  front. To overcome 

problem, it is recommended that the slope angle of  the front face of  the hopper be increased by 5 to 8 as illustrate

Page 8: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 8/26

 

Figure 9. Alternatively, the lining surface of  the front face in the region of  the outlet may selected so as to have a hig

friction angle than the other faces. 

Figure 9. Vibratory Feeder 

4.2 Determination of  Feeder Loads and Power 

The determination of  feeder  loads and drive powers requires a knowledge of  the stress fields generated  in the hop

during  the  initial  filling  condition  and  during  discharge.  Under  filling  conditions,  a  peaked  stress  field  is  generathroughout  the entire bin as  illustrated  in Figure 10. Once  flow  is  initiated, an arched  stress  field  is generated  in 

hopper and a much greater proportion of  the bin load is supported by the hopper walls. Consequently, the load ac

on the feeder substantially reduces as shown in Figure 10. 

Figure 10. Load Variations on a Feeder 

It is quite common for the load acting on the feeder under flow conditions to be in the order of  20% of  the initial lo

The arched stress field is quite stable and is maintained even if  the flow is stopped. This means that once flow is initia

and then the feeder  is stopped while the bin  is still full, the arched stress field  is retained and the  load on the fee

remains at  the  reduced value. The  subject of   feeder  loads  is discussed  in  some detail  in Refs.  [12‐15]. The  loads

feeders and the torque during start‐up may be controlled by ensuring that an arched stress field fully or partially ex

in the hopper  just I prior to starting. This may be achieved by such procedures as: 

Cushioning in the hopper, that is leaving a quantity of  material in the hopper as buffer storage. 

Starting the feeder under the empty hopper before filling commences. 

Page 9: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 9/26

 

Raising the feeder up against the hopper bottom during filling and then lowering the feeder to the operating condit

prior to starting. In this way an arched stress field may be partially established. 

5. GRAVITY RECLAIM STOCKPILES 

5.1 Draw‐Down Performance Considerations 

Gravity reclaim stockpiles when properly designed, operate under expanded‐flow, as illustrated in Figure 11. This sho

discharge  through  a  single  opening  in  a  stockpile. Discharge will  take place by  funnel‐flow  in  the main body of  

stockpile, with the flow expanded through the mass‐flow hopper. In this way, reliable flow to the feeder is assured. F

will continue until the draw‐down head hD is reached; flow then ceases as a stable pipe or rathole is formed. The dr

down is consistent with critical rathole dimension Df  which forms at that level. The shape of  the rathole depends on 

consolidation conditions within the stockpile, the particle or  lump size range of  the stored bulk solid and the moist

content. 

Figure 11. Draw‐Down in Stockpile 

Complete draw‐down, as  illustrated  in Figure 11, corresponds to the critical rathole dimension Dfm at the base of  

stockpile. For complete draw‐down to occur, it is necessary for the diagonal dimension of  the hopper transition to b

least equal to Dfm Since values of  Dfm may be several meters, often it is not practical or economical to employ a la

enough hopper  to achieve  complete draw‐down.  For  this  reason,  the design of   stockpile  reclaim hopper and  fee

systems requires a full consideration of  the various options available with a view to optimizing the reclaim performa

within specified practical and economic limits. 

5.2 Use of  Multiple Hoppers 

The use of  multiple hopper systems which allows for  intersection of  the flow channels to occur, as illustrated in Fig

12, provides  for good reclaim performance to be achieved. By varying the separation distance X, an optimum spac

can be established as illustrated in Figure 13. 

5.3 Live Capacity versus Moisture Content 

In a programme of   research  conducted at  the University of  Newcastle 16,17],  studies have been performed usin

conical stockpile model which allowed different feeder configurations to be examined. Although the scale of  the mo

relative  to  actual  stockpiles  is  very  small  (a  factor  of   1/50  in  one  case  of   an  iron  ore  stockpile),  the  predic

performance base on the model studies were surprisingly good. The modeling process involves scaling the particle 

and adjusting the moisture content of  the bulk solid to reproduce, as close as possible, the same arching characteris

in the model feed hoppers as would occur in the full scale stockpile. 

Page 10: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 10/26

 

 

Figure 12. Improved Reclaim Performance using Double Reclaim System 

Figure 13. Live Capacity versus Feeder Separation 

By way of   illustration,  Figure  14  shows  the  reclaim  performance  for  a double hopper  system  for  five different  c

moisture  contents.  Several  tests were  conducted over  a  range  of   hopper  separation  lengths.  The  separation  of  

hopper is measured by the distance S between the inner edges of  the two hoppers which are equi‐distant on each s

of  the stockpile centreline. 

The data in Figure 14 show the reduction  in live capacity with increase in moisture. This is to be expected because 

strength of   the bulk  solid  increases with moisture content. The  results also show  that  there  is an optimal  separat

length  for  the  two‐hopper  system where maximum  reclaim of  material can be expected. This optimal distance be

dependent on the moisture content of  the bulk material. 

Page 11: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 11/26

 

Figure 14. Double Hopper Stockpile Live Capacity for Model Stockpile using Coal. Hopper length at transition = 12Omm, width 

100mm 

5.4 Loads on Reclaim Hoppers and Feeders 

The loads on reclaim hoppers and feeders and the corresponding power to drive the feeders varies from the "initial

the flow condition as discussed in Section 4. The loads are illustrated in Figure 15. The initial load will correspond to 

case when  the  stockpile or crater above  the  feeder  is  filled. The  surcharge  load Qs will depend on  the consolidat

condition of  the bulk solid in the stockpile. The worst case corresponds to the hydrostatic pressure. However, if  a rath

has been pre‐formed, then the surcharge load will be reduced. When an arched or flow stressed field has been formwithin the mass‐flow reclaim hopper, the load on the feeder will be greatly reduced. Confirmation of  the load conditi

acting on reclaim hoppers has been obtained from the model stockpile tests. 

Figure 15. Loads on Stockpile Feeders 

6. SURFACE OR WALL FRICTION 

6. 1 Selection of  Lining Materials 

Of   the  various  parameters  affecting  the  performance  of   hoppers,  feeders  and  chutes,  the  friction  at  the  bound

surface has, in most cases, the major influence. Judicious choice of  lining material to achieve low friction and wear is

important consideration. 

There are a great many  lining materials and surface coatings on the market, some common  linings being  illustrate

Table III. Also shown are the bulk materials for which the lining material is commonly used. 

TABLE III ‐ SOME COMMON LINING MATERIALS

Lining Material  Remarks 

Carbon Steel Cheap ‐ suitable for most bulk materials ‐ corrosion a problem. High friction often a limiting 

factor. 

Stainless Steel

 304

2B 

Excellent material  for bulk materials which are not  too abrasive. Very  suitable  for black 

coal. Very poor performance for brown coal. Low friction. 

Stainless  Steel 

3Cr12 

Similar application to 304‐2B stainless. Is cheaper and lower chrome content than 304‐2B. 

Low friction. 

Ultra  High 

Polyethylene 

Excellent  for  bulk  materials  which  are  not  too  abrasive.  Fixing  must  be  by  mechanical 

fasteners. Very good performance for both black and brown coal. 

Bisalloy  360 

Domite Ni Hard 

For more arduous applications with Domite being quite expensive. Suitable  for such bulk 

material as Bauxite, Iron Ore, Copper Ore, Copper Ore, Lead Ore, Zinc Ore. Generally high 

friction. 

Epoxy  Coated 

Surfaces 

Good  performance  for  bulk materials  such  as  coal where  abrasive wear  is  not  a major 

problem. Relatively low friction. 

Page 12: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 12/26

 

While cost is a significant consideration, it is most important that the lining material be selected on the basis of  serv

life and performance. Factors to be considered include: 

  Surface friction and adhesion 

  Resistance to impact, if  appropriate 

  Method of  attachment 

  Installation cost and maintenance 

  Resistance to abrasive wear 

  Resistance to corrosion 

  Initial cost 

It is recommended that appropriate tests be conducted to determine the relevant flow properties of  the bulk solid 

the proposed lining surface. In view of  the importance of  surface or wall friction, some salient aspects are now review

6.2 Surface Friction and Adhesion 

The adhesion of  bulk solid particles to hoppers and chutes is a result of  the interaction between the bulk solid and 

boundary or wall surface[18‐21]. While adhesion and/or cohesion are difficult to measure directly, an indication of  th

parameters may be gleaned from bulk solid and wall surface friction measurements using a direct shear test appara

The parameters of  interest are defined in Figure 16. 1. 

Figure 16. Wall or Surface Yield Locus (WYL) 

The surface friction characteristics are displayed by the wall yield locus W .Y .L.; the surface friction angle Φ is define

follows: 

Φ = tan‐1

/ ح)  σw) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (2) 

where ح = shear stress at the wall 

σw = corresponding normal stress at the surface. 

As  indicated by Figure 16, the  friction angle Φ between the bulk solid and boundary surface decreases as the nor

pressure increases. This effect is illustrated in Figure 17. 

Page 13: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 13/26

 

 

Figure 17. Characteristic Surface or Wall Friction Variation with Normal Pressure 

6.3 Interaction Characteristics 

Bulk solid/boundary surface friction and adhesion depend on the  interaction between three groups of  variables, th

relating  to  the  bulk  solid,  those  relating  to  the  wall  or  boundary  surface  and  those  which  arise  from  loading 

environmental conditions. This interaction is shown, diagrammatically in Figure 18. 

Figure 18. Bulk Solid/Boundary Surface Friction Interactions 

The relevant properties in each of  the three groups are summarized as follows : 

(i) Bulk Solid Characteristics ‐

  Particle size and size distribution 

  Panicle shape, hardness and density 

  Moisture content 

  Bulk density 

  Chemical composition 

(ii) Wall Surface Characteristics ‐

  Surface roughness 

  Hardness 

  Chemical composition 

(iii) Loading and Environmental Factors ‐

  Pressure between bulk solid and wall surface 

  Relative rubbing or sliding velocity 

 Temperature and humidity or moisture conditions 

  Wall vibrations 

Page 14: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 14/26

 

  Undisturbed contact time 

6.4 Wall Friction versus Normal Pressure Characteristics 

As an illustration of  some of  the factors influencing wall or surface friction, a set of  wall yield loci graphs are shown in Figure 19 [

The bulk solid in this case is coal. Figure 19(a) shows the variation of  wall friction for black coal at 10% moisture cont

on  three surfaces, namely, stainless steel  type 304 with 2B  finish, mild steel polished and mild steel  rusted all at 

instantaneous or zero storage time condition. In the case of  the 120 polished mild steel surface the wall friction was a

determined  after  72 hours undisturbed  contact or  storage  time  is  also  shown;  the high  friction  in  this  case  is q

considerable with corrosion and adhesion or bonding of  coal particles to the steel surface. 

Figure 19(b) compares  the Wall Yield Loci  for black coal at 19.7% moisture content and brown coal at 65% moist

content  on  two  surfaces,  stainless  steel  type  304  with  2B  finish  and  Tivar  88,  an  ultra  high  molecular  we

polyethylene material. While  in  absolute  terms  the moisture  contents of   the  two  coals are  significantly different

relative  terms,  taking account of   their  composition and  saturated moisture  conditions,  they are  comparable. For 

black coal the wall friction angle for stainless steel and Tivar are similar, both exhibiting low friction. This is also the c

for brown coal on the Tivar surface. However, the brown coal has abnormally high friction on the stainless steel, des

the smoothness of  the surface; the stainless steel is entirely unsuitable for brown coal. 

(a) Wall Yield Loci for Black Coal  (b) Wall Yield Loci for Black and Coals 

Figure 19. Typical Wall Yield Loci 

6.5 Surface Roughness 

(a) Roughness Parameters and Effect on Wall Friction 

Surface  roughness  is  an  important  factor  in  terms  of   its  influence  on wall  friction.  Yet  the  specification  of   surf

roughness  in  terms of  appropriate parameters which  adequately describe  the  surface  is  a  complex matter  requi

careful and detailed consideration. 

It is common to simplify surface characteristics in terms of  height parameters, such as the centre line arithmetic aver

roughness  (CLA or Ra Number) or RMS  roughness.  Such parameters are useful  for  comparison purposes but do 

adequately provide an assessment of  the interaction between panicle size and surface profile. For this reason, Ooms 

Robens [18] have found it useful to specify the surface characteristics in terms of  Surface Spectoral Density. This disp

the RMS  roughness amplitude as a  function of   frequency where  the  frequency  is  the  inverse of   the  roughness w

length. 

(b) Roughness Classification of  Surfaces used in Bulk Solids Handling 

The new Australian Standard on Loads in Bulk Solids Containers [11] designates four surface roughness characteristic

to D4. In order that these surface classifications may be quantified in some way, Ooms (Ref. [21]) proposed that the f

Page 15: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 15/26

 

categories of  surfaces be grouped in terms of  roughness bands based on the Mean Centreline Roughness or Ra num

Surfaces commonly used have been classified according to this procedure and presented in Figure 20. 

Figure 20. Ooms Chan for Lining Surface Roughness Classification 

From  the  discussion  in  the  previous  Section,  it  is  apparent  that  the  proposed  form  of   classification  is  somew

restrictive in terms of  the limited information conveyed by the Ra number. Also the wall roughness may not necessa

remain constant and should be considered as a variable. For  instance, a polished or  lightly rusted carbon steel surf

may become deeply pitted  and  change  from  group D2  to  group D3. An  aluminum  surface  is easily  scored  and m

change from group Dl to group D2. On the other hand, some stainless steel surfaces will polish during service and m

change from group D2 to D 1. 

6.5 Influence of  Vibrations 

Roberts et al [22‐24], have shown that the application of  vibrations to a wall surface can significantly reduce wall frictand therefore promote flow. Vibrations can also reduce bulk strength, further assisting  in promoting gravity flow. 

evidence indicates that the best results are achieved by using frequencies of  100 Hertz or higher, and low amplitude. 

7. ADHESION OF BULK SOLIDS ON WALLS OR SURFACES 

7. 1 Adhesion of  Bulk Solids in Chutes 

The characteristics of  surface or wall  friction discussed  in  the previous section  indicate  that,  for most bulk solids 

lining materials, the Wall Yield Loci (WYL) tend to be convex upward in shape. Furthermore the WYL often intersect 

shear stress axis corresponding to zero normal pressure indicating an adhesion/cohesion effect as depicted in Figure 

Problems due  to high wall  friction, cohesion and adhesion, which are associated with  low pressure conditions, of

occur  in  chutes  and  standpipes.  Cohesion  and  adhesion  can  cause  serious  flow  blockage  problems  when  corro

bonding occurs, such as when moist coal  is  in contact with carbon steel surfaces. The bonding action can occur a

relatively short contact times. Impurities such as clay in coal can also seriously aggravate the behaviour due to adhes

and cohesion. 

Transfer chutes should be designed to ensure that satisfactory flow is obtained without flow blockages. Yet despite t

apparent simplicity, the flow patterns developed in chutes often not fully appreciated. Occasions have arisen in prac

where costly flow interruptions have occurred due to incorrect chute design arising from a lack of  understanding of  

bulk solid and chute surface friction characteristics. 

Page 16: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 16/26

 

The design of  transfer chutes is discussed in References [25‐28]. Consideration should be given to the flow propertie

the bulk solid and the characteristics of  the chute  lining material. Moist coal can adhere to vertical, as well as  incli

faces of  steel chutes eventually causing blockages. This has been  found  to occur  in practice after only a  few hour

operation. Problems of   this  type have occurred,  for example,  in conveyor  feed chutes  in coal screening operation

illustrated  in Figure 21. The momentum of   the coal particles  falling  from  the screen  is usually not  sufficient  to ca

scouring of  the chute surfaces and, as a result, build‐up and complete blockages have been known to occur. 

Figure 21. Build‐Up of  Cohesive Bulk Solid such as Coal on Screen House Conveyor Feed Chute 

When  determining  chute  slope  angles,  account  must  be  taken  of   the  variation  of   friction  angle  with  change

consolidation pressure, or more particularly, with change in bed depth. Figure 22 shows, for a typical coal, the variat

of  wall  friction angle with bed depth. As  indicated, high  friction angles can occur at  low bed depths,  the decreas

friction angle being significant as the bed depth increases. 

Figure 22 Wall friction angle versus bed depth for bulk solid on chute 

The slope θ of  the chute should be at least 5 larger than angle of  equivalent friction [4]. 

That is : 

θmin = tan‐1 [tanΦ (1 + Kv Ho / B)] + 5o 

where Φ = Wall friction angle corresponding to HO 

Ho = Bed depth 

B = Chute width 

Kv = Ratio lateral to normal pressure 

Kv will depend on bulk solid properties Normally Kv = 0.5 to 1.0. In the absence of  information Kv may be taken to be 0

Page 17: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 17/26

 

Often moist  bulk  solids will  adhere  initially  to  a  chute  surface,  but  as  the  bed  depth  increases,  the  correspond

decrease in friction angle will cause flow to be initiated. In some cases flow commences with a block‐like motion of  

bulk solid as depicted in Figure 23. 

Figure 23 Block‐like Flow Down Chute 

7.2 Adhesion in Vertical Chutes or Standpipes 

Bulk solids, such as coal with high clay contents and at high moisture contents, may adhere to walls of  vertical pipechutes  leading  to progressive build‐up and  flow choking. Problems of  this type have been known to occur  in the c

handling plant of  power stations, as depicted schematically in Figure 24. 

Figure 24 Schematic Arrangement of  Coal Handling Plant of  Typical Power Station 

When blockages occur  in  feed‐pipes  to  the  feeder and mill, a boiler may  "flame out"  in  the  space of  a  few minuBlockages are initiated by the coal adhering to the pipe wall and then growing inwardly, this action often occurring a

only a few tonnes of  coal have passed through the system. Often such problems occur when unwashed coal is store

open stockpiles prior to use. The weathering process can cause the clays to be dispersed, rendering them more likel

adhere to chute and pipe walls. The adhesion process may be aggravated in this case due to the temperature of  the 

and standpipe above the mill. 

It is important that the pipe or chute diameter be sufficiently large to cause the bulk solid to fall away from the wall

proposed simplified methodology is presented. Referring to Figure 25, assuming the weight of  bulk solid is  just suffic

to cause slip along the wall, the required pipe or chute diameter D is given by 

D ≥ 4ţ / ŷ (1 ‐ C2

 ) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (4) 

Page 18: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 18/26

 

where : 

C = d / D such that C ≥ 0.8 

ţ = shear stress at wall corresponding to normal pressure σ

ŷ = ρ g = bulk specific weight. 

Figure 25 Build‐Up of  Bulk Solid in Vertical Chute or Standpipe 

It is also wise to check whether the pipe diameter is sufficient to prevent a cohesive arch forming. For this analysis, 

methods presented in Refs. [3,4] may be used. 

8. WEAR IN BULK HANDLING PLANT 

Wear  in bulk handling plant may  result  from  impact or  abrasion or, as  is often  the  case,  a  combination of  both

addition, deterioration of  metal surfaces can occur as a result of  corrosion. 

8.1 Impact

 

Erosive  type wear due  to  impact  consists of  a  combination of  plastic deformation  and  cutting wear.  Such wear,

example, occurs in pipe bends of  pneumatic conveying systems where impact velocities are normally relatively high 

where several impacts and rebounds may take place. Normally the particle size is small in this case. 

Impact wear also occurs at discharge points of  belt conveyors and at entry points to transfer chutes. Velocities of  imp

are normally relatively low whereas particle size range can be quite wide with large lumps being present. 

Impact wear  depends  on  several  factors,  the  relative  hardness  of   the  particles  and  the  surface  having  a  signific

influence. For impact on hard, brittle materials, the greatest amount of  damage occurs when particles impringe at an

of   approximately  90.  On  the  other  hand,  for  ductile  materials,  the  greatest  amount  of   erosive  wear  occurs  wparticles strike the surface at low angles of  attack, usually in the range 15 to 30. Erosive wear due to impact is norm

composed of  two types, deformation wear and cutting wear. 

8.2 Abrasive or Rubbing Wear 

This occurs in storage bins and silos particularly in hoppers under mass‐flow conditions. Under mass‐flow the pressu

in a hopper will vary significantly over the hopper surface, with the maximum pressure occurring at the transition, 

pressure decreasing towards the outlet. The velocity of  the bulk solid adjacent to the wall  increases non‐linearly fr

the transition to the hopper outlet. While the magnitude of  the velocity at particular point on the hopper wall depe

on the bin discharge rate, normally the bulk solid velocities are quite low with pure sliding taking place. 

Page 19: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 19/26

 

Abrasive wear also occurs in transfer chutes, the flow being characterised by lower pressures and higher velocities t

those occurring  in hoppers. There are several other areas where abrasive wear  is experienced such as  in feeders, 

conveyors, vibratory conveyors and screw conveyors. Any mechanical device which  involves the motion of  bulk so

relative to surfaces will experience wear problems. 

8.3 Abrasive Wear Parameters 

The  concepts  of   a  non‐dimensional  Relative  Wear  Number  NWR  has  been  introduced  [20]  in  order  to  per

comparisons to be made between different bin and chute geometries, is defined as : 

NWR = [(σw / ŷB) (Vs / Vo) tan Φ

Where : 

σw = Normal pressure at boundary 

ŷ = Bulk specific weight 

B = Characteristic dimension, B = outlet dimension in case of  hopper; B = chute width in case of  chute 

Vs = Velocity of  sliding at wall 

Vo = Sliding velocity at reference location. 

For hopper, Vo is defined at transition of  cylinder and hopper 

For chute, Vo is normally defined at point of  entry to chute 

Φ = Wall friction angle 

8.4 Wear in Mass‐Flow Bins 

The application of  the foregoing to the assessment of  relative wear in mass‐flow bins has been discussed in Ref. [20]

way of  illustration, the relative wear profiles for axi‐symmetric (or conical) and plane‐flow bins having the same open

dimension and hopper half  angle  respectively are  illustrated  in  Figure 26.  In  the  case of   the axi‐symmetric bins, 

maximum  relative wear occurs at  the outlet, while  for  the plane‐flow bins  the maximum  relative wear occurs at 

transition.  In  the  latter case  the wear at  the  transition  is  likely  to be  less  than as  indicated  in Figure 26 owing  to 

possible build‐up of  material at the  transition. Also, the normal wall pressure occurring at the transition  is difficul

predict precisely and is likely to be lower than as indicated. 

Some bins are constructed with a variable hopper slope and with the hopper section having different surface textu

Such a bin is discussed in Ref. [29]. The bin in question is axi‐symmetric with a capacity of  2400 tonnes. The hopper 

lined with 3 mm type 304‐2B stainless steel. Examination of  the lining after approximately 5 million tonnes of  coal passed through the bin showed that the maximum wear of  the stainless steel was around 1mm. 

Page 20: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 20/26

 

 

Figure 26 Relative wear profiles for axi‐symmetric and plane‐flow mass‐flow bins 

B = 1.0 m, α = 22, Ф (cylinder) = 30, Ф (hopper) = 20 

8.5 Avoidance of  Wear Problems due to Eccentric Funnel‐Flow 

Serious wear problems will occur during  funnel‐flow where the  flow channel or pipe  is not  fully contained  in the b

solid  itself   but may  incorporate  part  of   the  hopper  or  bin wall.  Problems  of   this  nature may  occur when  bins w

eccentric discharge are used, particularly when the bin opening  is  located near aside wall. On other occasions a ba

designed feeder may cause material to pipe adjacent to the hopper wall. Flow channels of  this nature give rise to hvelocity flow against the wall resulting in accelerated wear. 

Often side delivery chutes are  incorporated  in bins  for  the purpose of  off ‐loading bulk materials. Side delivery chu

create undesirable flow patterns in bins, leading to accelerated wear of  the bin wall in the region of  the chute intake

well as  in the plates above the chute. This wear  is caused by both abrasion and  impact Abrasive wear results from 

high velocity of  the materials during chute discharge, the flow velocity of  the materials during chute discharge, the f

following  a  funnel‐flow  pattern,  as  Indicated  in  Figure  27.  The  eccentric  discharge  induces  a  non‐uniform  press

distribution, as shown; bending is induced and the bin shell is deformed as indicated by the dotted curve. 

Figure 27 Eccentric discharge due to use of  side delivery chutes 

Impact wear  can occur on  filling  the bin after discharging  from  the  side delivery  chute. The  surface  is  left  in a  ri

condition as  indicated  in Figure 27. When filling commences,  lumps of  bulk material may bounce off  the rilled surf

and impact the wall in the weakened area above the chute. 

It should be noted that despite the fact that side delivery chutes may only be used intermittently, the wear rate du

operation  is considerable.  It  is therefore most desirable that side delivery chutes be avoided and  incorporate any 

loading  via  a  transfer  conveyor operating  from  the main bin discharge.  If   side  delivery  chutes  are used,  such  as

Page 21: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 21/26

 

existing  installation,  it  is essential that the bins be  lined with wear plates  in the region of  the chute  intakes as wel

above the chutes. 

8.6 Wear in Transfer Chutes 

Abrasive wear  in transfer chutes has been discussed  in Ref. [18‐21].  In the case of  straight  inclined chutes of  const

cross‐sectional geometry, the wear is constant along the chute. For chutes of  constant curvature, it has been shown t

the wear  varies along  the  chute as depicted  in  Figure 28  reaching a maximum at a particular  chute  angle and  t

decreasing. However, the wear is virtually independent of  chute radius. 

Figure 28. Wear factor for circular curve chutes [20] 

Q  = 30 tonnes/hr, Vo = 0.2 m/s, ρ= 1000 kg/m3, b = 0.5 m, E = 0.6, Ф = 30. 

8.8 Abrasive Wear Tests 

In order to evaluate lining materials for wear resistance, a linear wear tester, as proposed by Roberts [30,31], has b

developed  jointly at The University of  Twente, The Netherlands, and The University of  Newcastle, Australia. The tes

which is shown in Figure 29, incorporates the following features: 

i. 

Provision for a continuous supply of  "fresh" bulk solid. ii.  Provision for the bulk solid normal pressure on the test surface to be varied over the specific range. 

iii.  Provision for the sliding or rubbing velocity to be varied over the specific range. 

Figure 29. Abrasive Wear Tester 

Page 22: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 22/26

 

During tests, the friction coefficient, surface roughness, weight and thickness loss are progressively monitored. The t

samples used in the linear wear tests are of  similar size to those used in the Jenike Direct Shear Test. This allows cr

checking  of   the  wall  or  boundary  friction  at  various  stages  throughout  the  tests.  A  typical  set  of   test  results 

illustrated in figure 30. 

Figure 30. Comparative Wear Rates for Three Common Lining Materials 

9. PULSATING LOADS IN BINS ‐'SILO QUAKING' 

9.1 General Discussion 

As  is often the case, the solution of  one problem which  leads to an  improvement  in plant performance exposes ot

problems which require further research and development, This applies particularly to gravity flow  in storage bins 

silos where the application of  known theories for reliable discharge, such as by mass‐flow, can give rise to dynami

pulsating  flow  effects.  These  effects  are  normally  imperceptible  as  far  as  bin  discharge  is  concerned  having

detrimental effect on  the plant operation. However,  the pulsating  flow  can have a  significant  influence on  the  lo

acting on bin walls by  imposing severe dynamic  loads. The phenomenon  is often described as  'silo quaking';  it may

linked with the critical head Hcr for mass‐flow as discussed in Section 2. 

The discussion that follows provides a qualitative view of  the 'silo quaking' problem as it r relates to mass‐flow, fun

flow and expanded‐flow bins. 

(a) Velocity Profiles and Pressure Distribution (b) Variable Density and Dilation 

Figure 31 Mass‐Flow Bin 

Referring to the mass‐flow bin depicted in Figure 31; as the material flows, it dilates leading to variations in density fr

the static condition. This is depicted pictorially in Figure 31(b). With H > Hcr, the flow in the cylinder is uniform or 'p

like' over the cross‐section, with flow along the walls. In the region of  the transition, the flow starts to converge due

the influence of  the hopper and the velocity profile is no longer uniform. The velocity profile is further developed in 

hopper as shown. As the flow pressures generate in the hopper the further dilation of  the bulk solid occurs. As a re

of  the dilation,  it  is possible that the vertical supporting pressures decrease slightly reducing the support given to 

Page 23: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 23/26

 

plug of  bulk solid in the cylinder. This causes the plug to drop momentarily giving rise to a load pulse. The cycle is t

repeated. 

Studies of  the phenomenon of  pulsating loads in bins and silos are presently in progress at the University of  Newcas

Australia.  In this work, a pilot scale mass‐flow, steel silo 1.2m diameter by 3.5 m high and fitted with a stainless s

hopper  is being used. The silo  is fitted with 14  load cells designed by Prof. V. Askegaard of  the Technical Universit

Denmark;  these  cells  are  capable  of   measuring  both  normal  pressure  and wall  shear  stress.  An  example  of   a w

pressure and shear stress records depicting the pulsating load in the cylinder are shown in Figure 32. 

Figure 32. Load Cell Records depicting Pulsating Loads in Mass‐Flow Bin 

A similar action to that described above for mass‐flow bins may occur in tall funnel‐flow bins or silos where the effec

transition intersects the wall in the lower region of  the silo. As a result, there is flow along the walls of  a substantial m

of  bulk solid above the effective transition. 

During funnel‐flow in bins of  squat proportions, where there is no flow along the walls, as depicted in Figure 33, dilat

of  the bulk solid occurs as it expands in the flow channel. As a result some reduction in the radial support given to 

stationary material may  occur.  If   the hopper  is  fairly  steeply  sloped,  say  [θ ≥ δ],  then  the  stationary mass may 

momentarily causing the pressure  in the  flow channel to  increase as a result of  the  'squeezing' action. The cycle t

repeats. 

Figure 33 Funnel Flow Bin 

Page 24: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 24/26

 

A similar behaviour may occur in expanded flow bins, such as the bin depicted in Figure 2 .Pulsating loads can occu

such bins, particularly  if   the  slope  angle  e of   the  transition  is  too  steep. Owing  to  segregation on  filling,  larger 

particles are more likely to be located adjacent to the sloping surface at the lower end of  the funnel‐flow section. S

particles tend to roll as well as slide, aggravating the load slipping problem and giving rise to load pulsations. Proble

of  this type have been experienced in large coal bins. 

7.2 Multi‐Outlet Coal Bins 

Silo‐quaking problems have been known to occur in bins with multiple outlets. By way of  illustration, consider the la

coal bin shown  in Figure 34. The bin has seven outlets, six around an outer pitch circle and one  located centrally. 

hopper geometries provide for reliable flow permitting complete discharge of  the bin contents. Coal was discharged

means of  seven vibratory feeders onto a centrally located conveyor belt. When the bin was full or near full, severe sh

loads were observed at approximately 3 second intervals during discharge. The discharge rate from each feeder wa

the order of  300  t/h. When  the  level  in  the bin had dropped  to approximately half   the height,  the  shock  loads 

diminished significantly. With all the outlets operating, the effective transition was well 

Figure 34 Multi‐Outlet Coal Bin 

down  towards  the bottom of   the bin walls and  the  critical head Hm was of   the  same order as  the bin diameter 

greater than DF. Substantial flow occurred along the walls, and since the reclaim hoppers were at a critical slope for m

and funnel‐flow as determined by flow property tests, the conditions were right for severe 'silo quaking' to occur. 

Confirmation of  the mechanism of  silo quaking was obtained  in field trials conducted on the bin. In one series of  te

the three feeders along the centre line parallel with the reclaim conveyor were operated, while the four outer feed

were not operated. This  induced  funnel‐flow  in a wedged‐shaped pattern as  indicated  in Figure 34, with the effec

transition occurring well up the bin walls, that  is Hm < Hcr (= DF ) or Hm << D. The same was true when only the cen

feeder  (Fdr.  1) was  operated;  in  this  case  the  stationary  material  in  the  bin  formed  a  conical  shape.  Under  th

conditions,  the  motion  down  the  walls  was  greatly  restricted  and,  as  a  result,  the  load  pulsations  were  ba

perceptible. 

In a second set of  trials, the three central feeders were left stationary, while the four outer feeders were operated. T

gave rise to the triangular prism shaped dead region  in the central region, with substantial mass‐flow along the wThe  load  pulsations  were   just  as  severe  in  this  case  as  was  the  case  with  all  feeders  operating.  Dynamic  st

measurements were made using strain gauges mounted on selected support columns. When the bin was full  (or n

full),  the measured dynamic  strains with Hm Hcr were  in  the order of  4  times  the  strains measured when  the  f

pattern was controlled so that Hm < Hcr. 

10. CONCLUDING REMARKS 

In this paper an overview of  some salient aspects of  the storage, flow and handling of  bulk solids has been presente

is quite clear that,  in recent years, significant advances have been made  in research and development associated w

bulk handling systems.  It  is gratifying  to acknowledge  the  increasing  industrial awareness and acceptance  through

the world and particularly  in Australia of  modern bulk materials handling  testing and plant design procedures. Th

Page 25: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 25/26

 

procedures  are  now  well  proven,  and  while  much  of   the  industrial  development  has,  and  still  is,  centred  aro

remedial action to correct unsatisfactory design features of  existing systems, it is heartening that in many new indust

operations  the  appropriate  design  analysis  and  assessment  is  being  performed  prior  to  plant  construction 

installation. It is most important that this trend continues. 

The paper has  indicated, by way of  example,  the ongoing need  for  research and development which  is necessary

industrial  plant  and  processes  become  more  sophisticated,  the  demands  for  better  quality  control  become  m

stringent and both national and international competition requires more efficient and cost‐effective performance. 

11. ACKNOWLEDGEMENTS

 

Much of  the work presented in this paper is based on a current research grant from AMIRA. The support of  AMIRA 

the sponsoring companies is gratefully acknowledged. 

REFERENCES 

1.  Jenike, A.W. "Gravity Flow of  Bulk Solids". Bul. 108, The Univ. of  Utah, Engn Exp. Station, USA 1961. 

2.  Jenike, A.W. "Storage and Flow of  Solids". Bul. 123, The Univ. of  Utah, Engn Exp. Station, USA 1964. 

3.  Arnold, P.C., McLean, A.G. and Roberts, A.W. "Bulk Solids: Storage, Flow and Handling". The Univer

of  Newcastie Research Associates (TUNRA), Australia, 1982. 

4.  Roberts,  A.  W  ."Modern  Concepts  in  the  Design  and  Engineering  of   Bulk  Solids  Handling  System

TUNRA Bulk Solids Research, The University of  Newcastle, Australia, 1988. 

5.  Thomson F.M. "Storage of  Particulate Solids". Chapter 9, Handbook on Powder Science & Technolo

(1984) Van Nostrand. 

6.  Jenike, A.W. "A Theory of  Flow of  Particulate Solids  in Converging and Diverging Channels Based o

Conical Yield Function". Powder Tech., Vol.50. (pp. 229‐236). 

7.  Benink, E.J. "Flow and Stress Analysis of  Cohesionless Bulk Materials in Silos Related to Codes". Doct

Thesis, The University of  Twente, Enschede, The Netherlands. 1989. 

8.  Roberts, A.W. and Ooms, M.  "Wall  Loads  in Large Steel and Concrete Bins and Silos due  to Eccen

Draw‐Down and Other Factors". Proc. 2nd  Inti. Conference on  'Design of  Silos  for Strength and Flo

Powder Advisory Centre, U.K., 1983, (ppI51‐170). 

9.  Ooms, M. and Roberts, A. W ."The Reduction and Control of  Flow Pressures in Cracked Grain Silos". BSolids Handling, Vol. 5, No.5, Oct. 1985. (pp.1009‐1016). 

10. Roberts, A. W. "Some Aspects of  Grain Silo Wall Pressure Research ‐Influence of  Moisture Content

Loads Generated and Control of  Pressures  in Tall Multi‐Outiet Silos". Proc. 13th  Inti. Powder and B

Solids Conf., Chicago, USA, May 1988. (pp.II‐24). 

11. Australian Standard AS89138 "Loads on Bulk Solids Containers" 

12. Roberts A. W ., Ooms M and Manjunath K.S., "Feeder Loads‐ and Power Requirements in the Contro

Gravity Flow of  Bulk Solids from Mass‐Flow Bins" Trans. I.E.Aust., Mechanical Engineering, V.ME9, N

April 1984. 

13. Manjunath,K.S.  and  Roberts,  A.W.,  'tWall  Pressure‐Feeder  Load  Interactions  in  Mass‐F

Hopper/Feeder Combinations". Part I. IntI. Jnl. of  Bulk Solids Handling, Vol. 6, No.4, Aug. 1986. 

14. Manjunath,  K.S.  and  Roberts,  A.W.,  "Wall  Pressure‐Feeder  Load  Interactions  in  Mass‐FHopper/Feeder Combinations". Part II. Inti. Jnl. of  Bulk Solids Handling, Vol. 6, No.5, Oct. 1986. 

15. Rademacher, F.J.C., "Reclaim Power and Geometry of  Bin Interfaces in Belt and Apron Feeders". IntI.

of  Bulk Solids Handling, Vol. 2, No.2, June 1982. 

16. Roberts,  A.  W.  and  Teo,  L.H.,  "Performance  Characteristics  of   Gravity  Reclaim  Stockpiles  of   Con

Form", Trans. of  Mechanical Engineering, The Instn. of  Engrs. Australia, Vol. ME 14, No.2, 1989, pp

102. 

17. Roberts,  A.  W  .and  Teo,  L.H.,  "Design  Considerations  for  Maximum  Reclaim  Capacity  of   Con

Stockpiles", IntI. Journal of  Bulk Solids Handling, Vol. 10, No. 1, 1990. 

18. Ooms, M. and Robens, A.W. "Significant  Influence of  Wall Friction  in  the Gravity Flow of  Bulk Soli

IntI. Jnl. of  Bulk Solids Handling, Vol. 5, No.6, 1985 (pp.1271‐1277) 

Page 26: Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit

5/13/2018 Modern Technological Developments in the Storage and Handling of Bulk Solids_Edit - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modern-technological-developments-in-the-storage-and-handling-of-bulk-solidsedit 26/26

 

19. Robens, A.W., Ooms, M. and  Scott, O.J.  "Surface  Friction and Wear  in  the  Storage, Gravity Flow 

Handling of  Bulk Solids". Proc. Conf. 'War on Wear', Wear in the Mining and Mineral Extraction Indus

Instn. of  Mech. Engnrs, Nottingham U.K., 1984. (pp.123‐134). 

20. Robens, A. W. "Friction, Adhesion and Wear in Bulk Materials Handling". Proc., AntiWear 88, The Ro

Soc. London. 1988. Inst. of  Metals, I.Mech. E. . 

21. Roberts. A.W., Ooms, M. and Wiche, S.J. "Concepts of  Boundary Friction, Adhesion and Wear  in B

Solids Handling Operations". IntI. Jnl. of  Bulk Solids Handling, Vol.10, No.2, May 1988. : 

22. Robens,  A.W."Vibrations  of   Powders  and  Bulk  Solids".  Chapter  6,  Handbook  on  Powder  Science

Technology. (1984) Van Nostrand. 

23. Robens, A.W., Ooms, M. and Scott, O.1. "Influence of  Vibrations on the Strength and Boundary FrictCharacteristics of  Bulk Solids and the Effect on Bin Design". Inti. Jnl. of  Bulk Solids Handling, Vol.6, N

1986. (pp.161‐169). 

24. Robens, A.W. and Rademacher,  F.J.C.  "Induced Gravity Flow by Mechanical Vibrations". To appea

Inti. Jnl. of  Bulk Solids Storage in Silos, UK. 

25. Robens  A.  W.  "An  Investigation  into  the  Gravity  Flow  of   Non‐Cohesive  Granular  Materials  Thro

Discharge Chutes". Trans. A.S.M.E., Jnl.  for Engng.  in  ,Industry, Vol. 91, Series B, No.2, May 1969. 

373‐381). , 

26. Robens A. W. and Scott O.1. "Flow of  Bulk Solids Through Transfer Chutes of  J Variable Geometry 

Profile". Bulk Solids Handling, Vol. 1, No.4, December 1 1981. (pp. 715‐727). 

27. Parbery  , R.D. and Robens, A. W  ."On  Equivalent  Friction  for Accelerated Gravity 1  Flow of  Gran

Materials in Chutes". Powder Technology, Vol. 48. 1986. (pp. 75‐79). ; 28. Savage,  S.B.  "Gravity  Flow of  Cohesionless Granular Materials  in Chute  and Channels".  J.Fluid Me

Vol.92, Pan 1, 1979. (pp.53‐96). 

29. Andrews,  B.R.,  Boundy,  B  .1.  and  Roberts, A. W  .,  "Flow  Property Analysis, Design  and  Construct

Details for a 2400 tonne Mass‐Flow Bin". IntI. 1nl. of  Bulk Solids Handling, Vol. 3, No.4, November 19

(pp.781‐786). 

30. Roberts, A. W.,  " Abrasive Wear  Testing  and Analysis  in Bulk  Solids Handling", Report of  Bulk  So

Research Group  (Sectie Stort‐geotechnologie), Dept. of  Mechanical Engineering, University of  Twe

The Netherlands, 1986. 

31. Roberts, A.W., "Hopper and Chute Performance and Wear", AMIRA Project No. 245, Handling of  B

Solids, The University of  Newcastle, 1989. 

32. Roberts, A. W., Ooms, M., Askegaard, V. and Wiche, S.1. "Investigation of  Flow Instabilities and Bea

in Silos'. Paper for Presentation at the cmsA 90 Congress, Prague, Czechoslovakia. August 1990.