（机械制造及其自动化专业论文）scx超细选粉机分级机理研究及装备设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名：j 炒币 同期：口fd 6 乙 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签 名：j 池中导师签名：瘗住次日期：矽肌； 西南科技大学硕士研究生学位论文 lili-i。ii么glguig。6918i 摘要 超细选粉机是粉体制备行业中重要的设备之一，随着材料学科的飞速发展，市 场对超细粉体提出了更高的要求，如细度更细，级别更窄等。选粉机作为决定产品 粒度、粒级宽度、粒度分布的最终装备，显得尤为重要。本文以计算流体力学和气 固两相流理论为基础，通过分析超细分级的流场特性，从分散、分级、射流、密封 等关键点入手，运用数值模拟方法，进行s c x 超细选粉机的设计。 粉体的物化特性对分级有着重要影响，选取宝兴厂的重钙为物料，通过对其进 行测试分析，指出其主要成分、粒度、密度、白度等相关特性。 颗粒分散性的好坏直接影响分级机的分级效果。在颗粒团聚的机理上，探讨了 颗粒的分散途径，提出了一种下喂料方式的气流分散原理。运用f l u e n t 对分散装 置的结构进行数值模拟，建立了局部颗粒浓度与平均颗粒浓度的的关联曲线来表征 分散性的好坏，得出了一组较优设计目标。 认识并掌握分级区域的流场特性，对设计选粉机来说具有重大的实际意义，本 文在传统的涡流分级的基础上，对叶片间流场特性，分级环内流场特性，以及转子 转速对流场分布的影响进行了数值模拟研究，提出了叶片数量，分级环宽度以及转 速的较好的设计目标。 颗粒的细化使得粗颗粒在边壁区极易夹带细颗粒而使分级效率下降。本文依据 康达效应在强制涡流分级流场中通过引入射流分级构建复合分级流场，使粉体运动 轨迹按照粒径大小发生角度性偏转，减少夹带现象的产生，并通过数值模拟对射流 结构进行了研究。 密封始终是引起选粉机产品跑粗的重要因素，针对传统机械迷宫式密封存在的 问题，设计了一种新型主动气流密封装置，并采用f l u e n t 流体力学软件对密封装 置的几何参数与操作参数进行了数值模拟，在分析模拟所得x - y 散点数据基础上， 通过讨论溢出气流速度、压力标准差与密封区域内各结构参数及进口压力等重要参 数的关系，得到了密封结构的关键尺寸与压力控制参数。 完成s c x 4 0 0 样机的制造，通过对比实验表明了分别采用气流分散结构、射流 分级结构、主动密封结构可获得较好的分级精度和分级效率，验证了数值模拟结果 的正确性。另外整机实验结果数据表明，s c x 4 0 0 选粉机的分级效率平均可达8 6 左右，可以获得较高的分级效率和分级精度。 关键词：超细颗粒流场特性气流分散射流分级主动气流密封 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s u p e r f i n ec l a s s i f i e ri s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb a s i co p e r a t i o ni nt h ep o w d e r i n d u s t r y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m a t e r i a l ss c i e n c e ，l l i g hr e q u i r e m e n t sa l ep r o p o s e d f o rt h ep r e p a r a t i o no fp o w d e r ，s u c ha sl o w e rl i m i t so nd i a m e t e rs i z e ，n a r r o w e rs t a n d a r d d e v i a t i o n so ns i z ed i s t r i b u t i o n , a n dt h el i k e c l a s s i f i e rs e e m sv e r yi m p o r t a n ta saf i n a l e q u i p m e n to fd o m i n a t i n gp r o d u c ts i z e , g r a d ew i d t ha n dd i s t r i b u t i o no fs i z e b a s e do n c f da n dt h e o r yo fa i rs o l i dt w o - p h a s e , s c x s u p e r f i n ec l a s s i f i e rw a sd e s i g n e dc o n s i d e r i n g d i s p e r s i o n , c l a s s i f i c a t i o nj e t ，a n ds e a l ，t h r o u g ha n a l y z i n gf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i co f s u p e r f i n ec l a s s i f i c a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a su s e d t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp o w d e rh a v ei m p o r t a n te f f e c tw i t h c l a s s i f i c a t i o n , g c co fb a ox i n gf a c t o r yw a sc h o s e , t h r o u g ht e s ta n a l y s i s ，i t s c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sc o m p o s i t i o n , s i z e ，d e n s i t y , w h i t e n e s se r e w e r ef o u n d t h eq u a l i t yo fp a r t i c l ed i s p e r s i n gi sd i r e c t l yi n f l u e n c i n gt h ec l a s s i f y i n ge f f e c to f c l a s s i f i e r s b a s e do nt h em e c h a n i s mo fp a r t i c l e sa g g l o m e r a t i o n , d i s c u s st h ew a y so ft h e d i s p e r s i o no fp a r t i c l e s ，b r i n gu paa i rd i s p e r s i o nw a y o fb o t t o mf e e d i n g f l u e n tc o d e w a su s e dt os i m u l a t ei t sg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，m a d et h ec o r r e l a t i v ec 眦r v eo f l o c a lp a r t i c l e c o n c e n t r a t i o na n da v e r a g ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nt oe x p l a i nt h e q u a l i t yo fp a r t i c l e d i s p e r s i n g a c q u i r e sag r o u po p t i m u mo b j e c t i v e s r e c o g n i z ea n dm a s t e rt h ef l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc l a s s i f y i n gf l o wf i e l dh a v eg r e a t v a l u a b l es i g n i f i c a n c ew i md e s i g n i n gc l a s s i f i e r i nt h i ss t u d y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a s a d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h ef l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so fb e t w e e nb l a d e s ，a n n u l a rr e g i o na n d t h ef l o wd i s t r i b u t i n go fr o t o rr a t e ，b a s e do nt r a d i t i o nt u r b oc l a s s i f i c a t i o n , a c q u i r e st h e p r e f e r a b l yd e s i g ng o a l so f b l a d e sq u a n t i t y , a n n u l a rr e g i o nw i d t h t h ec l a s s i f y i n ge f f i c i e n c yw o u l df a l le a s i l yd u et oc a r r y - u n d e ri nt h es i d ew a l ls i n c e t h et h i n n i n go f p o w d e r j e tc l a s s i f y i n gw a sd r e wi n t os e tu pc o m p l e x c l a s s i f i e rf l o w i n g a c c o r d i n gt oc o a n d ae f f e c t i nt u r b of l o w i n g , a n dt h em o t i o nt r a c kp r o d u c ea n g l e d e f l e x i o ni nt h el i g h to fp a r t i c l es i z e ，r e d u c et h ec a r r y - u n d e r ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w a sa d o p t e dt oa n a l y z et h es t r u c t u r eo f j e t t h eq u a l i t yo ft h es e a lh a sm u c hi n f l u e n c eo nt h ef i n a lp r o d u c to ft h ec l a s s i f i e r a n e wt y p eo fs e a le q u i p m e n to fi n i t i a t i v ea i r f l o ww a sd e v e l o p e dt oa i ma tt h el e a k a g e p h e n o m e n o no fm e c h a n i c a ll a b y r i n t hs e a lo ft h ec l a s s i f i e ra n df l u e n tc o d ew a su s e dt o s i m u l a t ei t sg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s t h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i s o fx - yp l o td a t aw h i c hw e r eo b t a i n e df r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t od i s c u s st h e c o n n e 砸o n sb e t w e e nv e l o c i t ys t a n d a r dd e v i a t i o n 、p r e s s u r es t a n d a r d d e v i a t i o no fs p i l l a i 】r f l o wa n de a c hs t r u c t u r ep a r a m a t e ro fs e a la r e a 、i n l e tp r e s s u r ea n da c q u t r e st h ec r i t i c a l d i m e n s i o n so fs e a ls t r u c t u r ea n dt h ep r u s s u r ec o n t r o l sp a r a m e t e r s c o m p l e t es c x 4 0 0p r o t o t y p em a n u f a c t u r i n g , b yc o n t r a s te x p e r i m e n t s s h o wt h a t m a k eu s eo fa i rd i s p e r s i o ns t r u c t u r e ，j e ts 仃u c t u r e ，s e a ls t r u c t u r eo fi n i t i a t i v ea i r f l o wc a n 池e v eb e t t e re f f i c i e n c yg r a d i n ga n dc l a s s i f i c a t i o na c c u r a c y , t h e c o r r e c t n e s so ft h e n ：i | 】 n e d c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw a sv e f i 矗e d a n o t h e rm a c h i n ee x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a t s c x 4 0 0c l a s s i f i e rg r a d i n ga l la v e r a g ea v e r a g ec l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yw a s a b o u t8 6 ， c a l l 鲫1 1 i g hc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dc l a s s i f i c a t i o na c c u r a c y k e yw o r d s ：s u p e r f i n ep a r t i c l e ；f l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c ；a n n u l a rr e g i o n ； j e tc l a s s i f y i n g ；s e a lo f i n i t i a t i v ea i r f l o w 1 绪论 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 1 3 1 3 1 3 1 3 2 重质碳 2 1 重质碳酸钙的应用1 2 。 2 2重质碳酸钙的相关物化特性1 2 2 3 本章小结“1 3 3 超细粉体的分散性研究1 4 3 1超细粉体分散的重要性1 4 3 2超细粉体在气流中的分散1 4 3 2 1 颗粒在气流中团聚的原因1 4 3 2 2 影响团聚的因素16 3 3气流分散在s c x 选粉机中的应用18 3 4本章小结1 9 4s c x 超细分级理论研究2 0 4 1 强力涡流分级机理2 0 4 2射流分级原理2 1 4 3主动密封原理2 2 4 3 1 密封原理2 2 4 3 2 密封区域参数分析2 3 4 4本章小结2 4 西南科技大学硕士研究生学位论文第v 页 5s c x 超细选粉机流场的数值模拟与分析2 5 5 1数值模拟软件的介绍2 5 5 1 1f l u e n t 6 3 软件的结构和特点2 5 5 1 2 基本控制方程2 6 5 1 3 欧拉拉格朗日颗粒轨道模型和欧拉双流体模型2 8 5 2超细颗粒气流分散的数值模拟3 0 5 2 1 物理模型3 0 5 2 2 边界条件31 5 2 3 模拟结果及分析31 5 3分级流场的数值模拟3 5 5 3 1 物理模型3 5 5 3 2 求解策略3 6 5 3 3 模拟结果分析3 6 5 4射流分级数值模拟4 4 5 4 1 物理模型的建立4 4 5 4 2 求解策略4 4 5 4 3 模拟结果及分析4 4 5 5 主动气流密封数值模拟4 8 5 5 1 物理模型与边界条件4 8 5 5 2 结果与分析4 8 5 6本章小结5 2 6s c x 超细选粉机结构设计一5 4 6 1s c x 超细选粉机的结构5 4 6 1 1 传动系统5 4 6 1 2 分级装置5 5 6 1 3 进出料装置”5 5 6 2s c x 超细选粉机结构设计5 5 6 2 1 分散进料结构的设计5 5 6 2 2 分级转子的设计5 6 6 2 3 分级室壳体的设计5 7 6 2 4 主动气流密封结构设计5 8 6 3 本章小结”5 9 7 s c x 4 0 0 超细选粉机实验研究6 0 7 1样机制造及加工工艺6 0 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 7 2 实验系统建立6 0 7 2 1 实验装置及平台6 l 7 2 2 实验物料“6 3 7 2 3 实验仪器6 3 7 3 实验结果与讨论6 4 7 3 1 对比实验6 4 7 3 2 整机实验6 7 7 4 本章小结7 0 结论7 1 癸【谢7 三 参考文献“7 4 附录7 8 攻读硕士学位论文期间发表的学术论文及研究成果8 0 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 随着材料学科发展，超细粉体技术已经成为一门新兴的热点学科，目前 在超细粉体领域内国外学者普遍把颗粒平均粒径小于3 9 m 的粉体定义为超 细粉体，根据现状及国情，我们把粒径完全小于3 0 r t m 的粉体称之为超细粉 体。在超细粉体的应用上，由于其具有大的表面能、表面原子数、比表面积 等因素，使得其表面张力随粒径的降低而急剧增加，由于这些特殊性能导致 了超细粉体的光、敏、热、磁、感特性和表面稳定性等不同于普通粉体，更 使超细粉体与常规材料相比具有一系列异常的物化特性及表面与界面性质。 从而超细粉体所具有的特殊性能使其在汽车、材料、冶金、化工、复合、生 物工程和医学等领域得到了广泛应用n ”。特别是近几年，超细粉体的研究和 应用得到了快速发展，几乎应用于所有的高、精、尖、端学科与领域，可以 说超细粉体材料已经渗透到所有的工业领域和高技术领域伸1 。 1 1超细分级的定义及分类 1 1 1 超细分级的定义 在粉体材料的制备中，学术上定义粉体分级是根据粉体颗粒的物理与化 学特性，如颗粒的形状、粒径、密度、湿度、磁性、比表面积、带电性等的 不同而将颗粒与颗粒之间分离的操作，我们把根据颗粒的形状进行的分级称 为形状分级，把根据颗粒粒径的大小进行的分级称为粒径分级。由于受科学 水平的限制，形状分级目前还停留于实验室阶段，离工业化应用尚有较大的 距离。所以我们所说的分级是指根据颗粒粒径的不同而进行的粒径分级，。 超细分级的基本原理是指将粉体颗粒放置于气流、水等某种流体介质中， 当颗粒在流体介质中受到的力学作用不同时，其运动情况也不同，从而将颗 粒分离开来的操作。在介质中需要有两个或两个以上运动方向不同的作用力 施加在颗粒上，颗粒在受到这些力的作用后，由于其粒径的不同，其运动轨 迹也就不同，通过合理的调节作用力之间的关系就可以按所需要的标准将不 同的颗粒分离到不同的容器中1 。 目前粉体的分级问题已严重制约了粉体的制备与应用，现代工程技术的 发展不仅对粉体材料的的需求量大，而且要求粉体具有粒度小、粒度分布窄、 等特点，由于分级技术是粉体制备领域中最终决定成品粒度、粒度宽度、粒 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 径分布的关键技术，特别是对窄级别、粒度细的超细粉体制造而言，分级显 得尤为重要限川。随着粉体材料对上述要求的提高，分级的难度也越来越高， 分级问题已经引起了越来越多学者的关注。 1 1 。2 超细分级的相关研究 目前对分级设备的研究只要集中在选粉机的结构与内部流场上，选粉机 的内部流场是颗粒与气体的两相混合流，颗粒的运动情况相当复杂。其中流 场是否均匀，是否有利于粗细颗粒的有效分散、是否满足颗粒分级所需要的 各种需求等是决定超细分级设备设计成败的关键因素 h - 1 4 ，。认识并掌握选粉机 内部分级流场的特性以及颗粒的运动特性对于设计合理的分级结构，选择最 佳的操作参数具有重要的意义。目前国内外的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 颗粒运动特性的基本理论研究。h o nd n s n 钉等人对粗颗粒、细颗粒、 超细颗粒三种颗粒在流动状态下的运动进行了分析，发现了在涡流室内的湍 流流动中，由于离心力的作用会在边壁区出现粗细颗粒的附壁现象，这种现 象对颗粒的收集有利，但对分级和分散确实极为不利的，要想达到精确分级 的目的，必须将不利因素转化为有利因素。因此对湍流流场中的颗粒进行分 级，必须借助其它强有力的力场。实际应用中，此研究成果己成功地应用于 射流分级机、碰撞分级机等。在国内，清华大学工程力学系n ”n ，针对三维湍 流旋转气固两相流动进行了研究，分别建立了k 吒湍流模型、代数应力模型 和双流体模型等，并采用商用软件的s i m p l e 算法或编制计算机程序对旋风 炉内气相燃烧的三维旋转流场的流动规律进行了研究。这些研究成果对流场 比较相似的涡轮分级机分级流场的研究起到重要的借鉴作用。 ( 2 ) 内部流场的研究。北京科技大学的徐政n 8 ，等人对转子叶片的长度和 叶片之间的间距进行了模拟研究，他们将分级流场近似为三维单相湍流场， 得出如下结论：转子转速对流场的影响十分重要，随着转速的提高，颗粒在 流场中的速度也随之增加，过高的速度极易使颗粒装机到叶片上后反弹到转 子内部去，从而降低了分级精度；叶片长度的增加可以使分级流场更加层流 化，适合于较小的分级粒径；后倾安装的叶片所产生的流场比普通安装的叶 片的流场具有较小的漩涡度，流场更加稳定。在国际上日本的学者y u i c h i s a t o 和y u k i y o s h iy a m a d a “”建立了颗粒运动规律和速度分布规律的微分 方程并用有限元方法得到选粉机内部颗粒的运动轨迹和其流场特性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 3 ) 流场内部的实验研究方面。国内中国石油大学的的孙国刚等人利用 五孔探针对涡流式选粉机内部流场进行了系统的测量和研究陋”。实验结果说 明了涡流式选粉机的内部流场是由分级转子转动产生强制的涡流和沿导风叶 片的切向气流的叠加而复合形成的，这与静态的旋风分离器的回旋流场有着 本质上的区别。 ( 4 ) 此外，卓震、蒋士忠等人也对相关类型的选粉机的分级流场的进行 了理论和实验的初步研究，得到了压力分布和速度矢量的分布规律陋2 ”。这 些研究从不同的侧面对强制涡流分级机的流场特性进行了分析和描述，也得 到了一些研究成果。 1 1 3超细分级设备的分类 目前市场上超细粉体的分级设备种类很多。根据分级所使用的流体介质 的不同可分为湿法分级、干法分级和超临界分级，其中，超细粉体的干法分 级( 主要是以气流等气体为介质) 无论是从工艺过程还是从成本、能耗、控制 等方面都比其它分级方式具有显著的的优越性，所以，干法分级设备在工业 中的应用最为广泛，设计新型的干法超细选粉机，特别是应用于微米颗粒的 超细选粉机已经成为国内外专家们研究的焦点。在干法分级中根据工作原理 和分级力场的不同，干法分级又可分为重力沉降式分级、惯性力力场分级、 离心式分级、组合式分级和其它形式的分级【2 3 2 ”，如表( 1 - 1 ) 所示。 目前在市场上占有量最大的分级装置几乎都是根据离心力场的分级原理 而设计的强制涡流式选粉机，又称涡流式选粉机。其分级机理是通过转子转 动在分级区内形成强制涡流来增大颗粒在分级流场内所受到的离心力，实现 分级因素的提高和分级速度的增大，通过离心力与气体曳力的作用，来提高 分级精度的目的。在干法分级中与其他类型的分级设备相比，涡流式选粉机 具有较高的分级精度和分级效率。 1 1 4分级性能的评价指标 1 1 4 1理论分级效率 理论分级效率即是指分选后成品中细粉的占有量与原粉中细粉的占有量 的比值，可表示为： ，7 ：旦：e x g ：! 兰堡 ( 卜1 ) 町2 i 2 a x f2 ( g + t ) x a u 1 碥 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 式( 1 1 ) 中，m 为成品中细粉占有量；m 0 为原粉中细粉的占有量；g 为 表卜1超细分级的分类及设备 t a b 1 1cla s sjfic a tio r la n dc o rr e s p o n din gd e vic eo fs u p e r fin e cia s sific tio n 成品 比： 品的 旦 里； 效率 由于要：a - _ _ 2 ，则( 1 3 ) 可改写为： c b 巩= 而( a - b ) 等高 ”4 ) 1 1 4 3t r o m p 曲线 在相当一段时间内分级效率是衡量选粉机性能优越的重要指标，但从控 制产品粒度的角度出发，只考虑颗粒的回收率并不是评价选粉机性能的最好 办法，而应该分别考虑各种粒径的实际分级效果，即分别计算选粉机喂料中 各种粒径有多少进入选粉机的粗料中来表示分级效率，即部分分级效率。根 据这种方法所绘制成的曲线称为t r o m p 曲线心础( 如图1 一1 ) 。目前使用越来越 多的分级效率的评价方法是t r o m p 曲线法。它可以表示出喂料中各种不同粒 径的颗粒有多少进入到粗粉之中。分级精度系数k 是t r o m p 曲线中评价选粉 机分级性能的重要指标，k 表示进入粗粉中2 5 的颗粒粒径d 2 5 与粗粉中 7 5 的颗粒粒径d 7 5 的比值，k = d 2 5 d 7 5 ，从t r o m p 曲线图上来看k 值越大 则曲线越陡峭，分级精度越高，当k = i 时，分级精度达到理想状态，目前大 多数选粉机的k 值一般为o 5 左右，较优秀的选粉机k 值可以达到o 7 乜们幢”。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 t r o m p 曲线上的6 值表示未经分选而直接进入成品的粗粉含量，即旁路 值6 【2 | ，它是分级回收曲线上的最小值。在分级过程中6 值越小越好，6 越小， 细粉进入粗粉的量就越少，选粉机的分级效率越高。旁路值6 产生主要原因 是由于物料分散不充分，当颗粒过小时，细颗粒容易出现团聚现象形成较大 的团聚体，表现为粗颗粒，在分级过程中就有一定量的团聚体进入粗粉之中， 导致旁路值6 增大，降低分级效率和分级精度。 永 一 褂 按 羁 隶 求 箍 图卜1特劳姆曲线( t r o m p ) f i g 1 - 1t r o m pc u r v e 1 1 4 4 粒度分布 粒度分布包括颗粒累积分布与频率分布，直观反映了选粉机的分级结果。 其中，累积分布表示小于某一粒径的颗粒在原粉中所占比例，它与频率分布 关系为： d ( q ) 2 既。f ( d p ) d d ，( 1 - 5 ) 式( 1 。5 ) 中，n 为某一粒径或某一粒径范围颗粒数；n 为颗粒总数。 频率分布表示某一粒径或某一范围粒径颗粒在原粉中所占比例，定义为： 式( 1 - 6 ) 中， 1 2超细分级的现状与发展方向 1 2 1超细分级的现状 国外从事分级设备研究能力较高的国家是德国、法国、日本、丹麦和美 国等发达国家，这些国家在七十年代末就开始开始进行超细粉体分级方面的 研究，如今已经研究出多种性能优越的超细选粉机，如德国阿肯图公司生产 的a t p 多转子超细分级机的分级粒径为已经达到2 9 m 1 5 9 m ，处理能力范围 在8 0 0 6 5 0 0 k g h ；日本细川公司研发的m s 叶轮式分级机及其改进型m s s 超细分级机分级粒径在也已达到1 l , t m 6 0 9 m ，处理能力可达1 6 0 0 k g h 他”3 ”。 相比较而言，国内在选粉机的研究方面起步比较晚，选粉设备比较落后， 主要是仿制国外的产品，真正能够用于工业化生产的选粉机类型还比较少， 分级后达到的产品细度实际上只有6 9 m 1 0 p , m ，分级产品的质量、分级效率 与国外相比存在较大差距，且选粉机品种单一，工艺简单，规格小，处理能 力小，相应带来能耗高等诸多缺点”。还有超细分级设备的制造工艺落后， 精度不高，所以达不到预期的分级效果，给基建投资、生产带来高成本、大 投入，低收入的效果，造成了极大的浪费。但是近年来随着超细粉体科学的 迅猛发展，国内的粉体分级也己达到亚微米级，目前市场上的多种型号的选 粉机己经能分选出几微米的超细颗粒，但是在分级精度和分级效率方面还有 不太高，尤其是真正能够用于工业生产中的分级精度高、处理量大的高性能 选粉机的数量还比较少。 1 2 2 超细选粉机的发展 1 2 2 1关键技术 目前在实际工程应用中超细选粉机的应用已较为广泛，但其流场特 性、设计原理和关键技术的研究还有待加强，主要集中在以下几方面： ( 1 ) 分级原理上：对选粉机内湍流流场的分布进行精确的描述、对 分级力场作进一步深入、对颗粒表面特性及物化状态进行分析、对颗粒 受力进行多种力设计，构建复合力场。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 2 ) 分析途径上：探讨c f d ( 计算流体力学) 技术在选粉机流场 及结构设计中的可行性，尤其是整机模拟及系统模拟；研究精确可靠的 在线检测装置，能够长时间的在高粉尘、高转速下工作。 ( 3 ) 分级设备上：对转子分级特性、原料的分散特性、密封特性、 壳体的防磨措施等关键部件进行深入研究；研发能同时生产出不同粒径 的产品，能进行计算机控制和在线反馈的智能型选粉机。 ( 4 ) 实际工程中：根据不同原料的固有属性，设计满足需求的选粉 设备。 1 2 2 2 发展方向 ( 1 ) 研究开发新的强有力的分散装置。现阶段对颗粒的分散主要有物 理方法和化学方法。物理方法中普遍采用的是利用机械搅拌打散的方式或高 速气流冲击分散的方式，其中采用高速气流冲击方式的效果比较好。根据颗 粒表面改性的化学法使颗粒分散是也超细分散的另一个重要途径，其中普遍 采用的是在分选前的粉碎过程向物料中添加分散剂，不过这种方法的成本比 较高，而且超细产品的纯度也可能会受到污染，因此化学方法并没有被大规 模的采用。 一 ( 2 ) 选粉机的分级粒径与分级精度的的调节。要想获得较细的分级粒 径，则必须提高转子的转速形成强力涡流场，但是由于转子转速的提高，转 子外缘的湍流现象将会加强，而湍流的作用严重降低了分级精度，特别是分 级自身的分级精度越高则湍流的影响越明显。尽管湍流的影响难以消除，但 为了提高分级精度，还应该考虑从流场上改善湍流的影响。 ( 3 ) 超细产品的选粉能力与生产能力提高。以超细水泥为例，目前的 水泥粉磨系统，用现有的高效选粉机，在转子速度最高的情况下，最好的只能生 产出最大粒径3 0 4 0l am 的水泥，当今选粉机的单机选粉能力己超过2 5 0 t h ， 但生产超细粉达不到此能力。几何形状的设计严重限制了选粉机单机生产能 力。要生产超细粉，选粉机必须减小转子直径；增加选粉机叶片数量；增大转 子端部速度；改变选粉机叶片形状，选粉机必须密封完全消除过粗颗粒“旁路 进入转子，必须减少由于高速旋转引起的振动。 ( 4 ) 新的分级原理的探索。通过对颗粒的表面特性、物化特性、界面 状态以及颗粒在不同介质和不同力场中的流动差异进行研究，寻找新的原理 设计稳定、均匀、可调的力场，开发新型的超细选粉机。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 1 3课题的来源、研究内容和意义 1 3 1课题来源 西南科技大学博士基金项目( 项目编号：0 7 z x 0 1 1 3 ，高效粉煤灰分级设 备及其工艺系统研究) 。 1 3 2研究内容 在超细颗粒物化特性和两相流理论的基础上研究超细选粉机的分级原 理。 ( 1 ) 超细颗粒的气流分散原理。3 0 9 m 以下超细颗粒在粘附力的作用下 极易发生团聚现象，而传统的机械打击分散是一种强制性分散，互相团聚的 颗粒尽管可以通过机械力被打破，但是机械打散只是一种瞬间性的分散方式， 其分散效果不能持久，机械打散后颗粒之间的作用力仍然存在，解聚后由于 相互碰撞它们可能重新团聚，显然机械分散已不保证超细颗粒的分散要求。 气流分散原理就是利用气流相在输送粉体颗粒过程中对不同团聚体以“破碎” 和“剥蚀 两种方式发生分散，即在团聚体气流的冲击载荷下，当团聚体的 应力较小时，团聚体会在瞬间断裂，这种分散称之为“破碎 ；当团聚体粘附 力较大时，由于气流和团聚体的相对运动，会从团聚体的边缘刮下来粒径较 小的粒子，整个过程较缓慢，这种分散称之为“剥蚀”。在输送过程中，“破 碎和“剥蚀”是同时发生的，充分保证了颗粒的分散性。 ( 2 ) 强力涡流分级原理。该原理是第三代粉体分级原理，是通过离心力 和气体曳力对颗粒的作用而进行分级，颗粒的分级粒径为 氏：翌、粤( 1 - 7 ) r 少、p n - - , 由公式( 1 7 ) p - - 矢i ：1 分级粒径以。与转子的转速n 、转子的直径 转子高度h 的开方成反比关系。要获得较细的分级粒径，就要提高转子的转速、改变转 子的大小。其中设计强有力的流场和均匀稳定的涡流场是进行超细分级的关 键。通过对粉体分级原理的研究，以保证强有力和稳定的涡流场为前提，需 设计全新的转子。 西南科技大学碛士研究生学位论文第1o 页 ( 3 ) 射流分级原理。射流分级是使分级环内的粗细粒子受到外部气流的 喷射产生抛射作用，超细粒子由于惯性小，故运动方向偏转大，粗粒子则基 本保持原运动方向，从而达到分级的目的。另外，控制气流还可起到一定的 清洗作用。分级精度和分级效率会明显提高。 ( 4 ) 主动密封原理，密封效果也是影响分级效果的重要因素，主动密封 原理利用压力差采用高压气体产生强大的外喷气流阻碍颗粒穿越，来达到良 好的密封效果，可完全防止粉体旁路跑粗，确保细度控制。 基于上述理论的s c x 超细选粉机设计如下： ( 1 ) 基于超细颗粒的气流分散原理的进料结构设计。粉体分散是分级的 基础，在分级机室底部设计相应的气力输送装置，在输送过程中对物料进行 分散。 ( 2 ) 基于强力涡流分级原理的转子设计。选粉机转子是影响分级流场强 度和流场均匀稳定性的关键，由于湍流场的复杂易变性，仅仅根据分级粒径 的计算公式来提高转子转速并不能获得理想的涡流场，而且有可能加大鱼钩 效应。因此要获得稳定、强力的涡流场必须设计合理的转子。 ( 3 ) 基于射流分级原理的二次进风口设计。在分级室壳体上设计合适的 二次进风结构。实现射流分级，提高选粉效率。 ( 4 ) 基于主动密封原理的新型密封结构。利用内外气流之间的压力差， 设计动态气流密封装置，彻底防止“跑粗 现象的发生。 ( 5 ) 选粉机结构的优化设计。为了降低能耗和减少成本，选粉机可采用 皮带轮传动，下置出料口，较短的主轴传动等。 综合运用模拟软件f l u e n t 及前处理软件g a m b i t 和建模软件p r o e 等基本工具，对s c x 超细选粉机的各部分进行数值模拟，并分析模拟出的流 场、压力场和固体颗粒的运动情况。 ( 1 ) 选择三维两相的标准k 8 模型对气流分散装置进行数值模拟，并 对结构进行优化。 ( 2 ) 环内空间是分级进行的重要部位，首先p r o e 软件建立其模型， 然后在r n gk e 模型流场模拟的基础上，采用相间耦合的随机轨道模型对其 进行数值模拟，并考察颗粒运动轨迹。进行多次比较分析，优化其参数。 ( 3 ) 在对环内空间模拟的基础上，对二次进风进行数值模拟，得出较理 想的参数。 ( 4 ) 基于主动密封原理的新型密封结构。利用气流之间的压力差，设计 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 动态气流密封装置，采用r e a l i z a b l ek - 模型进行数值模拟，得出主动气流 的工艺参数。 实验研究：根据优化方案制造s c x 超细选粉机，以重质碳酸钙为物料进 行实验，根据实验结果对选粉机进行综合评价，总结与理论计算的差距，并 不断进行改进。 1 3 3 研究意义 随着经济的发展，市场对高级材料的要求越来越高，对于超细粉体的要 求也更加严格，建材、涂料、医药、航天等领域对高性能选粉机的需求也越 来越迫切。但是由于理论模型的欠缺，实验测试手段的局限性，以及气固两 相流的复杂性，目前人们对选粉机的分级流场的认识还不透明，对分级理论 的分析尚不够完善，因此掌握选粉机的流场特性和颗粒在湍流中的运动特 性，从而设计出更加先进的分级力场已经成为了国内外研究的焦点。本课题 的意义在于：根据气固两相理论的基本原理，探索构建复合力场实现精确 分级的途径。从颗粒的运动特性出发，运用多种研究方法，例如结合粉体 力学、计算流体力学、气固两相理论等交叉学科对选粉机进行多方位的研究。 在结构和理论上进行创新，在工业需求和精度需求之间寻找解决办法。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 贞 2 重质碳酸钙用途