一種新型風(fēng)動式選粉機對極細(xì)粉末分級的研究 社河內(nèi) 敏彥， 森本 宏 摘 要 :近年來 ,在極細(xì)粉末領(lǐng)域的需求很大 ,極細(xì)粉末被用在高級的材料上 ,例如 ,在業(yè)的電氣部分里。尤其，對極細(xì)粉末直徑的控制要求在提高。風(fēng)動式極細(xì)粉末分級機、選粉機正是迎合這一要求的設(shè)備。但是沒有闡明在流體環(huán)境中實現(xiàn)高性能的研究。在研究中，提出了一種新型的風(fēng)動式極細(xì)粉末選粉機，并且通過帶有一組柵格和油點的可見的流體的方法和對氣體流速的測量把性能和流體環(huán)境聯(lián)系起來。 基于這些結(jié)果，這個新型選粉機將具有很大的渦流流動速度 ,它 能夠精確地將極細(xì)粉末分選出來。 關(guān)鍵字： 料氣流；風(fēng)動式選粉機；極細(xì)粉末；可見流體；速率分量 先進(jìn)的工業(yè)原料，諸如精細(xì)陶瓷，超導(dǎo)材料，磁性粉末，打印機用的墨粉等等，這些通常的形態(tài)都是細(xì)微的粉末。近年來，由于高速發(fā)展的 ，控制顆粒直徑的設(shè)備，如將細(xì)粉均化（粉碎機）然后排列有機或無機干材料的細(xì)微粉狀顆粒（選粉機），它們已經(jīng)從顆粒微米級徹底地轉(zhuǎn)變成亞微米級（在下文中，這被稱為極細(xì)粉末， 1微米或是更?。，F(xiàn)在，許多種的選粉機在商業(yè)上都是有用的。例如，旋風(fēng)式選粉機、反向氣流式選粉機和葉輪式選粉機， 這些選粉機被廣泛地用在粉末材料的制造過程中，盡管選粉機能在干燥的環(huán)境中分選出極細(xì)粉末并并且在工業(yè)領(lǐng)域沒有這樣的選粉機。 在這篇論文中，將介紹一種新型的風(fēng)動式極細(xì)粉末選粉機（下文中稱為新型選粉機）。新型選粉機運用一種新的渦流和滿足上面提到的設(shè)備?？梢韵胂笥幸粋€理想流場來為所有提供的細(xì)粉產(chǎn)生一個大的離心力，這個力能正確地將極細(xì)粉末分選出來。這個流體環(huán)境由可見和觀察的流動，即氣流流速分量的測量和分選實驗來證明。當(dāng)一個選粉機有高性能時在數(shù)量上理解流場是很重要的。另外，分選性能通過一個用一些如碳酸鈣二氧化鎢的 細(xì)小顆粒的實驗來證實。所以，這個新型風(fēng)動選粉機可以分選出亞微米級的極細(xì)粉末。 1 驗的建立和程序 為了分選出極細(xì)粉末，在每一顆顆粒上施加一個大的離心力是很重要的。這種新型的選粉機有一個圓錐形的選粉區(qū)，并且大部分渦流流動通過百葉窗口向上流動，然后因為渦流半徑變小所以切線方向速度迅速地增加。每一顆顆粒都能因為切線方向很大的速度而得到大的離心力。這種新型選粉機不僅有非常高的選粉性能，而且有很高的喂料速度。通常細(xì)粉選粉機選粉性能很高，但是喂料速度就很低。 圖 1是風(fēng)動式選粉機。這種選粉機只運用渦流的流動，在內(nèi)部并沒有運動部件。這種選粉機由一個分散區(qū) i、錐形選粉區(qū) 導(dǎo)向葉片區(qū) 成。粉狀物料進(jìn)入分散區(qū)，而空氣從外面通過導(dǎo)向葉片（下文中稱為百葉窗口）被導(dǎo)入，這些導(dǎo)向葉片高 207生一個渦流流動。分散區(qū)有一個主噴嘴用來在直徑 12散噴嘴和分散錐。選粉區(qū)有一個角度 =20°的下表面，而同樣在選粉區(qū)的上表面的角度 =60°。此外，含有細(xì)粉的渦流空氣的出風(fēng)管的直徑 D=60在選粉區(qū)下表面的中央， 5粉的出口分布在外圈。分散錐設(shè)在選粉區(qū)的正上方 ,它能防止物料直接地流出去。 圖 1 極細(xì)粉末選粉機 2 圖 2是實驗建立的示意圖?？諝猓ㄒ淮物L(fēng)）帶著細(xì)粉流動，空氣（二次風(fēng)）流動以分散顆粒而空氣（三次風(fēng)）被風(fēng)機從百葉窗口吹入，所有的空氣通過在外面的布袋收塵器過濾。圖 2 建立實驗 選粉機的中軸可以看成 半徑為 圖 1）。一次風(fēng)夾帶著的顆粒在被二次風(fēng)很好地分散后從頂部沿 力方向，流入圓錐形的選粉區(qū)。三次風(fēng)通過均勻分布在底部外圍的百葉窗中間的通道方向一致地吹入選粉區(qū)。圓周 方向均勻地分布著 16片導(dǎo)向葉片（ 面），在百葉窗之間的寬度在 1到 7向葉片的安裝角度 以在 7°到 15°范圍內(nèi)變動。風(fēng)從百葉窗之間的通道通過時便產(chǎn)生了渦流。一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)的體積流量比為 7： 3： 90。那么，渦流在選粉區(qū)內(nèi)的流動特性便取決于三次風(fēng)。 此外，在選粉區(qū)內(nèi)的渦流形成了一個三維的復(fù)合流動區(qū)，這個區(qū)域里存在著離心力。當(dāng)渦流運動時，三次風(fēng)在圓錐半徑方向（向心）流動，到了中心處風(fēng)變通過出風(fēng)口排出。另一方面，混合著物料的一次風(fēng)與渦流在 很好地被二次風(fēng)分散后一起從主噴嘴引入分散區(qū)。渦流的方向和在選粉區(qū)里的方向一致。被引入選粉區(qū)的物料在圓錐上部區(qū)域受到一個大的離心力作用，于是粗粉在半徑方向上被分離出來，然后通過底部 3 的排氣縫收集起來到達(dá)選粉區(qū)外部的斗倉。在選粉區(qū)中央附近帶有極細(xì)粉末的遞減氣流從出風(fēng)口排出，然后由布袋收塵器收集細(xì)粉。 如圖 3是一個用來測量在選粉機內(nèi)速度分布的實驗。一個直徑 1 300帶有一個直徑 選粉區(qū)內(nèi)它以正確的角度方向（ 入中心軸（ 在 x=105航計能沿著 以在 r和 平方向作為 =0°，它以每 10°垂直地旋轉(zhuǎn)到 =120°（總共 240°），壓力通過用水銀壓力計測量（如圖 2）。既然這樣，流如空氣的總量為 Q=量 )，百葉窗之間的通道的寬度以 ,5和 7每一個測量位置上流動方向（上下的角度）通過壓力分布被計算出，而氣流速度通過靜態(tài)和動態(tài)壓力算出。每個速度分布的實驗僅適用于一個單獨的階段，這時的氣流是不含細(xì)粉的。 圖 3 通過偏航計 測量速度 4 為了了解選粉機內(nèi)的流場，設(shè)置了“柵格組法”和“油滴法”來使流體可見化和便于觀測。 柵格組的形狀和毛簇如圖 4。這個結(jié)構(gòu)由 簇由 153個金屬絲的節(jié)點處結(jié)合起來。這個結(jié)構(gòu)安裝在選粉區(qū)內(nèi) 簇柵格放置在透明丙烯酸脂制成的選粉機里，而這套實驗只為氣流設(shè)置。通過水平和垂直方向可以觀察到毛簇柵格由于渦流影響的傾度和波動，這些由一個攝象機記錄下來。 圖 4 通過柵格法使流動可見化 5 選粉區(qū)半徑方向兩個位置（每 180°）上表面的 35個油點和 20個在下表面上的點用來發(fā)現(xiàn)流體在表面上的流向。在導(dǎo)向葉片處所有流入空氣的質(zhì)量流向 Q=均流入速度 8m/s（ 在做了僅適合空氣的實驗之后油點的跡線就能觀察到了。在表面上的渦流流動角度通過油點的跡線來測量。由占體積 液體石蠟、 亞麻子油、 油酸和 氧化鈦的混合物用作白色有色染劑。 選粉機的的 分選粒徑（分級點）近似地按如下方法計算。 圖 5是選粉原理的示意圖?？紤]到施加在供給到選粉區(qū)顆粒上變化的力，在特定的半徑方位上單獨一顆渦流顆粒運動的方程式如下： /6 p /6 /8 (1) 圖 5 分級原理 6 顆粒的極限速度可以通過方程解出 . （ 1）如下（ ） 4( Dp (3 (2) 此外，當(dāng)顆粒的雷諾數(shù) 托克斯 區(qū)域 時，因為 ，顆粒的 德勞格 系數(shù)為 4/以( /(18 ) (3) 既然切線速度為 Vt=( (18 ) (4) 在選粉區(qū)內(nèi)的流動呈現(xiàn)一個半自由的旋風(fēng)式的流動。 (5) 然而通過實驗，旋風(fēng)系數(shù) 因此，可以得到半徑 i） (6) 式中 如果 Vt=k:坎寧安修正系數(shù)， k=由方程（ 4）和（ 6）得 ( i)(18 ) (7) 此時，通過導(dǎo)向葉片的渦流流動沿著選粉區(qū)上表面上升，然后在選粉區(qū)中央的排風(fēng)口被排出。從方程（ 7）的計算結(jié)果通過雷諾應(yīng)力模型（ 到沿著上表面的流動厚度大約為 t 數(shù)， 道區(qū)域以 升速度以 示， Q/A = （ 8） 式中 為流動分割比（ 在選粉區(qū)內(nèi)的細(xì)粉在離心力作用下在上表面產(chǎn)生旋渦，半徑速度 A (9) 施加在細(xì)粉上的離心力必須和德勞格力想平衡，當(dāng) 粒直徑 級點），它能由方程（ 7）和（ 9）表達(dá)，如下： k(i)× 18 S(/( (10) 7 r=30上的表達(dá)式近似地說明了選粉機分選粒徑 面會通過在更多細(xì)節(jié)上與實驗結(jié)果比較來論述這個結(jié)果。 圖 6是向下的渦流流動的偏轉(zhuǎn)角度，它為正數(shù)，一個特定半徑處 x=105s而 、 3、 5和 7從中心 (r=0處 )呈放射狀散開時偏轉(zhuǎn)角度大約從+20° (r=10變化到 (r=60。在選粉區(qū)內(nèi)上表面中心附近的偏轉(zhuǎn)流動逐漸地上升。此外，靠近中心（ r<10偏轉(zhuǎn)角度隨著 圖 6 渦流流動的偏轉(zhuǎn)角度 圖 7是在相同條件下的切線速度 線速度迅速地從中心（ r=0）向半徑方向增加，然后當(dāng)接近選粉區(qū)上表面，在 r/D =60數(shù)）。剖面如下所示： （ 0 r/D （ 11） ( r/D,n (12) 8 圖 7 切線方向的分速度 完全符合蘭金組合旋渦模型，它在中心區(qū)域有一個強制旋風(fēng)，在外部有一個半自由旋風(fēng)。所有完全被分散的細(xì)粉顆粒一旦從主噴嘴流入選粉機便立即受到一個由渦流流動產(chǎn)生的大的離心力的作用。 粗粉顆粒在水平方向被離心力分離出來，而細(xì)粉在通過遞減流動區(qū)之后從出口流出，這個區(qū)域在靠近選粉區(qū)中央有最大切線速度。 圖 8是從水平方向觀察到的毛簇柵格的偏轉(zhuǎn)。在上表面上靠近邊界層的毛簇從0°向上偏轉(zhuǎn)到 25°，然后可知氣流以渦流形式上升。向著靠近邊界層選粉區(qū)上表面中心流動的氣流從出風(fēng)口排出，此時在分散錐上部它已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)偏斜之后降低渦流。另一方面，在從中央的內(nèi)壁分離出來的區(qū)域里的柵格幾乎定向在水平方向，也存在著只有切線方向速度而幾乎沒有垂直方向速度的流動。 9 圖 8 上表面附近毛簇的偏轉(zhuǎn)（ Q= 圖 9是在下表面的邊界層附近的毛簇柵格的性質(zhì)。毛簇在半徑方向上只在035°內(nèi)從切線方向在每一個半徑位置偏轉(zhuǎn)。在下表面邊界層附近有著向選粉區(qū)中心的流動。通過以上提及 的原因，可以定性地知道通過百葉窗流入選粉區(qū)的流動在上表面和下表面邊界層附近呈一個放射狀的流動，而在另一區(qū)域，流動大多是切線方向的。 10 圖 9 下表面附近毛簇的偏轉(zhuǎn)（ Q= 圖 10（ a）是油點的跡線，從底部向上看，這條跡線在內(nèi)壁的上表面上成半圓弧。由于照片的局限，有一部分是看不見的，圖 10（ b）是在下表面的跡線。圖 11是向著油點跡線中心的角度 d，它能在二維平面測量出來。在上表面的流動以向中心大約10°的角度渦旋向上到達(dá)分散錐的頂點。渦流角度在半徑約為 3040不多在分散錐處）暫時減小，然后可以說在油點上有一個非?？斓臏u流速度的區(qū)域，而這個區(qū)域里有很大的離心力。朝分散錐運動的渦流的距離非常的長，因為上表面的傾斜角度較大和向上渦旋流動的角度 一方面，在下表面上的流動當(dāng)半徑變小時以一個更加大的角度被吸入出風(fēng)口。在選粉區(qū)內(nèi)靠近上表面和下表面的邊界層的流動的渦旋角度截然不同，而在上表面，上升渦旋流動有一個比在下表面上的更小的半徑方向的速度。此外，通過數(shù)學(xué)分析，因為通過百葉窗到上表面與到下表面的流動的分割比為 8： 12，這可以理解為在上表 面靠近邊界層向上的渦流大多半徑方向的速度是很小的。 11 圖 10 油點跡線（ Q= a）上表面 （ b）下表面 圖 11 油點的渦流調(diào)度（ Q= 12 為了確定這個新型選粉機的選粉能力，實驗條件是所有流入空氣的總量Q=常數(shù)），物料分別為 10kg/h(碳酸鈣（p= 5kg/h(酸鋇（p=6kg/h(化鈦（ p=經(jīng)過選粉，粗粉和細(xì)粉分別地被收集出來。分選出的樣品粒徑由粒徑分析儀“ (出來。 碳酸鈣、鈦酸鋇、氧化鈦的計算結(jié)果分別如圖 1214所示。通常，選粉性能用敏銳指數(shù) =個指數(shù)通過部分分離效率統(tǒng)計表（特龍普曲線）得到。由于鈦酸鋇和氧化鈦的敏銳指數(shù)分別為 =小于 在選粉中是允許的。另外，碳酸鈣和氧化鈦的分選粒徑分別為 m，它們的值都很小。通常，顆粒越小則它們就越難被精確地分級出來，而細(xì)粉中最大直徑顆粒就相當(dāng)于把粗粉混入細(xì)粉里，影響細(xì)粉的質(zhì)量。 圖 12 碳酸鈣的分級 13 圖 13 鈦酸鋇的分級 圖 14 氧化鈦的分級 但是，既然這樣，細(xì)粉中顆粒最大的直徑也比 為敏銳指數(shù)和分選粒徑都很小，可以說這個選粉機的表現(xiàn)還是不錯的。 碳酸鈣、鈦酸鋇、氧化鈦的分選粒徑分別是 m，這些數(shù)據(jù)由近似理論方程（ 10）得到，與實驗得到的 似理論可以很好地表達(dá)實驗得到的分選粒徑。 人們設(shè)計出一種新型的風(fēng)動式極細(xì)粉末選粉機，它的選粉性能通過流動的可見化和速度分量的測量來確定。主要計算結(jié)果如下： （ 1）通過百葉窗被引入選粉區(qū)的氣流，被分成在上表面和下表面上流動的兩股，剛引入的氣流在分散錐底部圓周分散得很均勻。上升氣流沿著上表面渦旋上升，然后在到達(dá)分散錐頂部后從出風(fēng)口排出。 （ 2）在選粉區(qū)里靠近中央的遞減氣流形成了最大的渦流速度（最大切線方向速度）。 （ 3）這種新 型的風(fēng)動式極細(xì)粉末選粉機能夠非常精準(zhǔn)地分選極細(xì)粉末。例如， 14 碳酸鈣、鈦酸鋇、氧化鈦分別以喂料速度 20， h(的敏銳指數(shù) =選粒徑 m。 （ 4）分選粒徑的近似理論可以很好地表示實驗結(jié)果。 主要符號 德勞格系數(shù) 粒徑 分選粒徑 (分級點 ) m 氣流中細(xì)粉的喂料質(zhì)量流量 顆粒的雷諾數(shù) = r 半徑方向坐標(biāo) u 氣流中顆粒的相對速度 cm/s t 分別為渦流的半徑和切線方向速度 cm/s 在半徑方向上顆粒的極限速度 在選粉區(qū)上表面氣流的上升速度 cm/s 在百葉窗通道之間的寬度 x 中心軸方向的坐標(biāo)（見圖 1） ， 分別為選粉區(qū)內(nèi)上表面和下表面的偏轉(zhuǎn)角度 ° i 百葉窗的安裝角度 ° 在選粉區(qū)內(nèi)上表面毛簇的傾斜角度 ° 在選粉區(qū)內(nèi)下表面毛簇的傾斜角度 ° d 油點跡線的切線角度 ° 流體的黏度 g/cm s , p 分別為流體和顆粒的密度 g/ 從百葉窗進(jìn)入的流體的分配速度 角速度 s