擋塊對(duì)粉體分級(jí)機(jī)性能的影響研究

胡壽高，楊越，李浙昆

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

隨著粉體分選技術(shù)要求的精益求精，粉體工業(yè)工藝技術(shù)不斷改進(jìn)，降低不良品率、提高分離效率和增加產(chǎn)品附加值是目前粉體行業(yè)追求的目標(biāo)。氣流分級(jí)作為粉體分級(jí)的重要手段，憑借其操作簡單、分級(jí)效果好、無需干燥等特點(diǎn)在粉體分級(jí)方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。

目前氣流分級(jí)機(jī)主要存在兩方面問題：一是，經(jīng)分級(jí)機(jī)分選后的細(xì)粉成品中總會(huì)含有一定量的粗粉顆粒，若成品中的粗粉顆粒占比多，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格，達(dá)不到客戶生產(chǎn)要求，不能滿足后續(xù)產(chǎn)品深加工需要，并且會(huì)致使產(chǎn)品附加值降低；二是，分級(jí)過程中，由于靜電等作用使較細(xì)的粉體產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，被分級(jí)機(jī)當(dāng)成粗粉分離出來，這樣會(huì)降低分級(jí)效率并且造成浪費(fèi)。氣流分級(jí)機(jī)對(duì)分級(jí)機(jī)動(dòng)力要求高、能耗大，因此有必要對(duì)分級(jí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，以提高分級(jí)效率、降低成本。分級(jí)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是影響分級(jí)效率及精度的主要因素，影響氣流分布以及粉體的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此對(duì)分級(jí)機(jī)的優(yōu)化主要集中于分級(jí)腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文將針對(duì)以上兩方面問題提出一種分級(jí)腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并利用Fluent 進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。

1 問題的提出

1.1 分級(jí)機(jī)理

圖1 為氣流分級(jí)機(jī)的工作原理示意圖。分級(jí)機(jī)主要由進(jìn)料口、錐形落料口、分級(jí)腔體、細(xì)料出料口以及安裝在主軸上的轉(zhuǎn)籠構(gòu)成，主軸由電機(jī)帶動(dòng)，細(xì)料出料口處連接有負(fù)壓發(fā)生器。

圖1 氣流分級(jí)機(jī)的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of air classifier

分級(jí)機(jī)的工作原理為：待分級(jí)的粉體物料由下端的進(jìn)料口進(jìn)入分級(jí)機(jī)內(nèi)部，由負(fù)壓發(fā)生器產(chǎn)生的向上氣流將粉體輸送到轉(zhuǎn)籠周圍的分級(jí)區(qū)。電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)動(dòng)使分級(jí)區(qū)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場，粉體繞著轉(zhuǎn)籠做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的粉體受到由負(fù)壓產(chǎn)生的向內(nèi)的氣流曳力和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的向外的離心力。粒徑較大的粉體顆粒，由于受到向內(nèi)的氣流曳力小于向外的離心力，于是會(huì)運(yùn)動(dòng)到分級(jí)腔的內(nèi)壁上，在重力的作用下落入錐形落料口；粒徑較小的粉體顆粒，由于受到的氣流曳力大于離心力，便會(huì)穿過轉(zhuǎn)籠葉片從上方細(xì)料出口分離出。通過調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速及負(fù)壓強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)分級(jí)粒徑[2-3]。

1.2 魚鉤效應(yīng)

對(duì)氣流分級(jí)機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)中有部分分級(jí)效率，即將原料粉體的粒徑分為若干區(qū)間，測(cè)定下端落料口收集的粉體粒徑，確定不同粒徑區(qū)間的回收效率。假設(shè)粒徑在區(qū)間[d，d+Δd]內(nèi)的原物料質(zhì)量為ma，回收的質(zhì)量為mb，則此粒徑的部分分級(jí)效率為η=mb/ma（%）。通過測(cè)定，得到圖2 所示曲線，可直觀了解不同粒徑粉體顆粒的回收率，曲線的斜率越高，說明分級(jí)機(jī)的分級(jí)精度越高。

圖2 魚鉤效應(yīng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of fish-hook effect

理想狀態(tài)下曲線從右到左呈平滑下降趨勢(shì)，但實(shí)際情況會(huì)出現(xiàn)先下降然后在左端出現(xiàn)小幅回升，曲線呈魚鉤狀，這就是“魚鉤效應(yīng)”。較小粒徑顆?；厥章实脑龆?，代表較多的小粒徑粉體顆粒未能成功地從細(xì)料出口被分離出來，這對(duì)分級(jí)機(jī)的分級(jí)精度影響頗大[4]。

分析產(chǎn)生魚鉤效應(yīng)的原因，小粒徑粉體顆粒的團(tuán)聚是最主要因素。團(tuán)聚現(xiàn)象是由于在氣流分級(jí)過程中，隨著顆粒粒徑的減小，范德華引力與自重之比急劇增大，就容易產(chǎn)生一個(gè)小顆粒粘附在大顆粒上或幾個(gè)小顆粒團(tuán)聚成一個(gè)大顆粒的現(xiàn)象[5]，團(tuán)聚后的小粒徑顆粒，若在分級(jí)機(jī)腔內(nèi)未被成功打散，便會(huì)隨著大粒徑顆粒一同沿著內(nèi)壁落入落料口。

2 擋塊的設(shè)計(jì)

研究如何減小魚鉤效應(yīng)是具有長遠(yuǎn)意義的課題，諸多學(xué)者對(duì)分體分級(jí)機(jī)的研究都意在減小魚鉤效應(yīng)[6]。針對(duì)團(tuán)聚顆粒的打散以及大粒徑顆粒的沉降，本文考慮使用在分級(jí)腔內(nèi)壁設(shè)計(jì)擋塊的方法實(shí)現(xiàn)，其原理為：粉體顆粒在分級(jí)腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，大粒徑顆粒和團(tuán)聚后的小顆粒都被離心力帶向內(nèi)壁做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)這些顆粒與擋塊發(fā)生碰撞時(shí)，團(tuán)聚顆粒被打散，大顆粒減速沉降，從而提高分級(jí)精度、減小魚鉤效應(yīng)。

圖3 為MS 型粉體分級(jí)機(jī)的三維模型及內(nèi)流場模型，模型高3 351 mm，分級(jí)腔的內(nèi)徑890 mm，轉(zhuǎn)籠直徑451 mm。此時(shí)的模型為分級(jí)機(jī)初始模型，其分級(jí)腔的內(nèi)壁為光滑狀態(tài)，粉體顆粒在接近壁面處運(yùn)動(dòng)時(shí)將不會(huì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，團(tuán)聚的粉體顆粒僅在顆粒間相互碰撞時(shí)被打散，而這種碰撞產(chǎn)生的效果是十分微小的。

圖3 MS 型粉體分級(jí)機(jī)三維模型及內(nèi)流場模型Fig.3 Three-dimensional model and internal flow field model of MS powder classifier

在分級(jí)腔的內(nèi)壁上每間隔90°均勻安裝4 個(gè)擋塊，用以增加粉體顆粒在接近壁面處的碰撞。設(shè)計(jì)3 種截面形狀的擋塊：半圓形、矩形、三角形，研究不同形狀擋塊的作用效果，得到最優(yōu)截面形狀。3 種擋塊的三維模型及其分布如圖4 所示，擋塊的長度與分級(jí)腔的長度相同，為780 mm，突出高度為14 mm。

圖4 3 種擋塊的三維模型及其分布Fig.4 Three-dimensional model and distribution of three blocks

3 CFD 流場分析與對(duì)比

3.1 軟件介紹

采用實(shí)測(cè)手段難以對(duì)復(fù)雜的內(nèi)部流場進(jìn)行分析，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)分級(jí)機(jī)進(jìn)行流場分析是目前的主流方法，本研究中用于流體仿真的軟件為ANSYS Workbench 中的Fluent 模塊。Fluent 是目前國際上比較流行的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件，擁有豐富的集成物理模型和流體問題數(shù)值方法，對(duì)于流體力學(xué)的運(yùn)動(dòng)模擬，使用離散數(shù)值分析模擬流體動(dòng)力學(xué)模型，采用不同的計(jì)算方法和離散形式，解決不同模型下的流動(dòng)問題[7]。

3.2 原始模型的流場仿真

在對(duì)分級(jí)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)之前，對(duì)原分級(jí)機(jī)腔的內(nèi)流場流動(dòng)情況進(jìn)行仿真，通過仿真圖可以看出流域內(nèi)各個(gè)位置處的流場流動(dòng)情況。仿真前對(duì)流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在ANSYS Workbench 中，對(duì)于網(wǎng)格計(jì)算的求解劃分方法有多種，本文主要用tetrahedron 四面體劃分法對(duì)流場區(qū)域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為1 271 169 個(gè)。

原分級(jí)機(jī)腔內(nèi)仿真條件設(shè)置為：（1）對(duì)流場區(qū)域劃分為2 部分，轉(zhuǎn)籠部分為轉(zhuǎn)動(dòng)域；（2）將2 個(gè)流域接觸面設(shè)置為相匹配，出口壓強(qiáng)條件設(shè)置為2 kPa，腔內(nèi)轉(zhuǎn)籠的轉(zhuǎn)速為400 r/min，迭代次數(shù)為3 000。經(jīng)過計(jì)算，得到的流場速度矢量圖如圖5 所示?？梢钥吹?，流場中最大速度為16.2 m/s，流場分布穩(wěn)定且流暢，經(jīng)后處理測(cè)量，分級(jí)腔壁面的氣流速度在2.02～2.43 m/s 范圍變化。

圖5 原始模型速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of original model

3.3 擋塊模型的流場仿真

對(duì)原始分級(jí)機(jī)的模型進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)3 個(gè)模型，分別添加截面形狀為半圓形、矩形、三角形的擋塊、分別對(duì)添加3 種類型擋塊的分級(jí)機(jī)進(jìn)行內(nèi)部流場抽取。Fluent 的前處理與原始模型相同，首先劃分出轉(zhuǎn)動(dòng)域，再用tetrahedron 四面體方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同樣，設(shè)置好邊界條件及轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行3 000 次迭代。計(jì)算得到的流場速度矢量圖如圖6。從矢量圖可見，添加擋塊之后分級(jí)腔邊緣處的流場發(fā)生了變化，最大速度及速度分布情況與原始模型相差不大。

圖6 3 種擋塊模型速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of three block models

3.4 結(jié)果對(duì)比分析

（1）分級(jí)機(jī)內(nèi)壁流場情況對(duì)比

仿真計(jì)算完成后，在后處理模塊中可分別得到4 種模型在分級(jí)機(jī)壁面處的流場速度矢量圖，如圖7 所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，沒有安裝擋塊的模型近壁面流場均勻，在中部有緩慢沉降的氣流；安裝了擋塊的模型在近壁面能看到明顯的速度聚集，氣流到達(dá)擋塊處時(shí)，可以看到明顯的氣流沉降。經(jīng)后處理測(cè)量，加裝擋塊后，分級(jí)腔壁面的氣流速度在擋塊附近降至0.4～1.2 m/s，相比原始模型氣流速度明顯降低，且氣流沉降的速度快、距離長，有利于大粒徑顆粒的沉降和團(tuán)聚顆粒的打散。

圖7 4 種模型壁面速度矢量圖對(duì)比Fig.7 Comparison of velocity vector graphs of four models

這說明安裝在腔體內(nèi)部近壁面的擋塊可以改變靠近分離腔壁面的流場，改變?cè)旨?jí)機(jī)結(jié)構(gòu)近壁面上下流場速度較為穩(wěn)定的情況。通過這種方法適當(dāng)調(diào)節(jié)近壁面流場分布情況，可以增加顆粒的碰撞幾率，大粒徑顆粒經(jīng)過碰撞后切向速度減小便會(huì)加速沉降，而團(tuán)聚顆粒經(jīng)過碰撞后被打散，變?yōu)榧?xì)顆粒后繼續(xù)通過回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成分級(jí)，減小了粗顆粒被細(xì)粉出口收集及細(xì)顆粒被沉降的概率，提高了粉體分級(jí)機(jī)的分級(jí)效率與精度。

（2）轉(zhuǎn)籠處水平截面流場對(duì)比

在模型的高1 200 mm 處添加一個(gè)水平面，此處正是轉(zhuǎn)籠區(qū)域的高度，可以顯示轉(zhuǎn)籠區(qū)域速度矢量。不同截面形狀擋塊模型在轉(zhuǎn)籠處（1 200 mm）的水平速度矢量如圖8 所示。從原始模型的仿真結(jié)果來看，不論是中心處還是近壁處整體流場都穩(wěn)定均勻，由外向內(nèi)氣流速度不斷增大，越靠近轉(zhuǎn)籠處速度方向越向中心傾斜。分級(jí)腔中靠近轉(zhuǎn)籠的部分是分級(jí)過程的主要發(fā)生區(qū)域，分級(jí)機(jī)的分級(jí)過程大部分在此區(qū)域內(nèi)完成。由添加了擋塊的模型仿真結(jié)果可見，氣流在流經(jīng)擋塊時(shí)，會(huì)在擋塊后方形成一定程度的旋渦，旋渦剖面形狀為長條狀或倒錐狀，這些漩渦會(huì)使顆粒在流經(jīng)擋塊時(shí)在局部劇烈運(yùn)動(dòng)，有利于吹散、混合顆粒，增加顆粒的碰撞幾率。

然而擋塊的安置不應(yīng)對(duì)分級(jí)過程發(fā)生區(qū)域流場產(chǎn)生過大的影響，否則會(huì)影響分級(jí)效果。觀察半圓形、矩形、三角形截面擋塊模型的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，半圓形擋塊由于表面的流線結(jié)構(gòu)，氣流經(jīng)過時(shí)會(huì)十分流暢。從圖8 可以看出，氣流經(jīng)過擋塊時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)范圍小，轉(zhuǎn)籠附近區(qū)域的流場依然均勻，基本沒有受到影響；矩形擋塊和三角擋塊由于表面結(jié)構(gòu)和氣流產(chǎn)生了正面沖撞，引起的氣流擾動(dòng)波及范圍比半圓擋塊的大，其中矩形擋塊引起的擾動(dòng)最大，三角形擋塊次之。綜合對(duì)比，半圓形截面為擋塊的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖8 轉(zhuǎn)籠處流場對(duì)比Fig.8 Comparison of flow field at the cage

（3）腔內(nèi)壓力對(duì)比

選擇最優(yōu)的半圓擋塊結(jié)構(gòu)模型與原始模型對(duì)比，利用豎直截面與1 200 mm 處水平截面的壓力分布云圖分析擋塊的安裝對(duì)分級(jí)腔內(nèi)壓力分布的影響，得到二者的壓力分布情況如圖9 所示。由圖9可以看出，無論是否含有擋塊，分級(jí)機(jī)分離腔內(nèi)壓力分布情況、變化規(guī)律均無明顯變化，不存在流域內(nèi)某處有壓力突變的情況，由外向內(nèi)壓力均勻逐漸減小達(dá)到將細(xì)顆粒分離的目的。無擋塊時(shí)，分級(jí)機(jī)分離腔內(nèi)最大壓力為2 110 Pa；添加半圓形擋塊時(shí)，分級(jí)機(jī)分離腔內(nèi)最大壓力為2 130 Pa，兩者數(shù)值差異并不顯著。因此，添加擋風(fēng)對(duì)腔體內(nèi)的壓力分布規(guī)律并無明顯影響，并不會(huì)影響氣流對(duì)顆粒的輸送能力。

圖9 原始模型與半圓擋塊模型的腔內(nèi)壓力對(duì)比Fig.9 Comparison of cavity pressure between original model and half-circle block model

4 結(jié)論

在MS 型粉體分級(jí)機(jī)的分級(jí)腔內(nèi)壁設(shè)置了擋塊，一方面用以加速粗顆粒的沉降，減小分級(jí)之后細(xì)料中粗顆粒的含量，另一方面用以打散團(tuán)聚的細(xì)顆粒，減少細(xì)粉的團(tuán)聚沉降。對(duì)分級(jí)機(jī)的原始模型及加裝擋塊后的模型分別進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，驗(yàn)證擋塊設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)選擇最優(yōu)擋塊結(jié)構(gòu)。通過仿真結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)添加了擋塊后可以增加顆粒的碰撞幾率，大粒徑顆粒經(jīng)碰撞后切向速度減小，加速沉降；團(tuán)聚顆粒經(jīng)碰撞后被打散，變?yōu)榧?xì)顆粒后繼續(xù)通過回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成分級(jí)，提高了粉體分級(jí)機(jī)的分級(jí)效率與精度。在3 種不同截面形狀的擋塊中，截面為半圓形的擋塊在與氣流碰撞時(shí)對(duì)內(nèi)部流場運(yùn)動(dòng)及壓力分布影響最小，為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。