（机械工程专业论文）双轴强力冷却混捏机混捏原理分析及设计.pdf

， l - ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p r i n c i p l ea n a l y s i sa n c o o l i n ga n dk n e d d e s i g no f b i a x i a l a d i n gm a c h i n e b yj i np e n g s u p e i s o r ：p r o f e s s o rs u nz h i l i s e n i o re n g i n e e rc h e nc h a n g s h e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n 0 v e mb e r2 0 0 7 缸-itijf， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：摩柳易 日 期：o l 哆) 年夕月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名：否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期z年月 日 导师签名： 签字日期t 。p- j ：! y 。1 j，一 予 争 、? j ：“ f ；? ： 7，详1r 留厂q e l l、j 东北大学硕士学位论文 摘要 双轴强力冷却混捏机混捏原理分析及设计 摘要 混捏机可分为间歇式和连续式混捏机两种。间歇式混捏机的类型有小型混捏机、 双臂混捏机、开炼机、密炼机等。连续式混捏机的种类很多，如单螺杆挤出机、双螺 杆挤出机、b u s s i o e a d e r 混捏机、m p 型混捏机、z s k 双螺旋混捏机以及本文所要重 点研究的立式双轴强力冷却混捏机等。相对于间歇式混捏机，连续式混捏机有着通用 性强、生产效率高、无污染等诸多优点。 本文所涉及的双轴强力冷却混捏机是连续型混捏机，是碳素成型工艺的重要设 备，该设备对干的碳粉和沥青物料进行混合搅拌均匀。原有设备属于间歇式混捏机其 混涅效果并不理想，有些碳粉和沥青之间没有搅拌完全，对后续阴极生产埋下重大隐 患。 根据对现有混捏机主要部件测绘分析的基础上，对设备的搅拌的主要部件搅 刀进行理论分析，确定出较为合理的一个叶片安装角度。对搅拌设备不同的水平高度 部位的搅刀进行了具体分析，对原有搅刀作了调整和改进。 本设备为双轴搅拌设备，对双轴的分布方式进行了对比研究。为了更好的使物料 在桶体内循环流动，对布置方式进行优化配置，包括单轴上的叶片安装布置和双轴的 相对位置布置。 最后利用a s a q u s 有限元分析软件对搅刀进行模拟，分析其受力情况，通过对 比改进前后的搅刀的不同应力分布状况来表征优化效果。依据应力分析云图来确定硬 质合金的焊接排布方式，更好的适应搅拌需求。 关键词：搅刀：搅拌机理；叶片安装角；优化 ，ni 僻r鼍 l 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t p r i n c i p l ea n a l y s i sa n dd e s i g no f b i a x i a l c o o l i n ga n dk n e a d i n gm a c h i n e a bs t r a c t k n e a d i n gc 觚 b ed i v i d e di n t oi n t e 加f l i t t e n t锄dc o n t i n u o u s k n e a d i n g m a c h i n e i n t e m i t t e n tl ( i l e a d i n gm a c h i n ec o n t a i n ss m a l ll ( i l e a d i n gm a c h i n e ，a m l sl ( 1 1 e a d i n gm a c h i n e ， r e f i n i n gm a c h i n e ，a n ds oo n c o n t i n u o u sk n e a d i n gm a c h i n ea l s oh a sm a n yt y p e s ，s u c ha s s i n g l e s c r e we x 协j d e r ，t 、访n s c r e we x t m d e r ， b u s sk n e a d e rk n e a d i n gm a c h i n e ，t 1 1 e m p l ( i l e a d i n gm a c m n e ，z s kd o u b l eh e l i xl ( i l e a d i n gm a c l l i n e ，a i l dt h i sp a p e r 、v i l lf o c u s o nt l l ev e n i c a lb i a x i a lc o o l i n gk n e a d i n gm a c l l i n e s c o m p a r e dt oi n t e m i t t e n tk n e a d i n g ， m e r ei sh i 曲p r o d u c t i o ne f ! e i c i e n c y ，p o l l u t i o n 丘e e ，a n d m a i l yo t l l e ra d v a n t a g e si n c o n t i n u o u sk n e a d i n gm a c m n e b i a x i a ls 呐n gc o o l i n ga n d l ( i l e a d i n gi n a c l l i n ei si m p o n a n tc a r b o np r o c e s se q u i p m e n t ， w h i c hc 觚m i xd d ，c a r b o np o w e ra i l dt i l em e l ta s p h a l tm a t e r i a l st o g e t h e ra i l dm a l ( em e m 吼i f 0 姗l y h o w e v e r ，恤m i x e de f f e c to fm eo l de q u i p m e n ti sn o ts a t i s f a c t o 拶，w h i c hi s n o ta l lc a r b o np o w e r 锄da l s p h a j tm i x e dc o m p l e t e l y i tm a yb eab i gp r o b l e mf o rm e f o n o w u pp r o d u c t i o no fc a t l l o d e b a s e do nt l l em a p p i n go fn l e m a i l lc o m p o n e n t so fp r e s e n tk n e a d i n gm a c h i n e ，、v e f o r c e do nt l l es t i l l r e dk 1 1 i f et t l a ti so n eo f 也em o s ti m p o r t 锄tc o m p o n e n t so ft h em i x i n g e q u i p m e n t ，w h i c hw 嬲a i l a l y z e d 仔o mt l l et 1 1 e o r y 锄di d e n t i f i e dt l l es u i t a b l ea n g l eo fb i a d e i n s t a l l e d a n dt l l e nw ea n a l y z e dm ed i f f e r e n tp a n so ft h ed i f r e r e n th i g hl e v e lo ft l l es t i r r e d m f ea n dm a d ea d j u s t i i l e n t s 锄di m p r o v e m e n t st om ek n i f e t h el a y o u tm o d eo fm i sm a c h i n e 、v i t t lb o t l ls h a r sw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t om a k e m em a t e r i a l sb e t t e rc i r c u l a t i o ni nb a r r e l s ，、e 叩t i m i z et h e d i s t r i b u t i o nl a y o u t ，w h i c h c o n t a i nb o t l lm ei n s t a l l a t i o nl a y o u to ft h es i n g l ea ) 【i a ll e a v e s 锄dt h er e l a t i v ep o s i t i o no f b i a x i a ll a y o u t f i n a l l y ，a s a q u si su s e dt os i m u l a t et h ef o r c et h a ta d d e dt ot h es t i l l r e dk n i f e b yt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l 、v ec a ns i m u l a t et h es 臼e s so fs t i l l r e dk n i f ea n dc o m p a r et h e i i i j - l h孵-产 d i 低坨n to fs 缸e s sc h a r a c t e r i z ed i s t r i b u t i o l l st h a tt h eo r i g i n a lk n i f ea n dt h eo p t i m i z a t i o n o n e s b a s e do nm ec l o u dp i c t u r eo fs 骶s sa l l a l y s i st od e t e m i n ew e i d i n g l a y o u to fp i e c e s o f c a r b i d e ，b e t t e ra d a p tt os t i rr e q u i r e m e n t k q 唧o r d s ：s t i 玎i 甜l ( 1 1 i f e ；m i x e r sr a t i o n a l e ；l e a fi n s t a j l e da 1 1 9 l e ；o p t i m i z a t i o n 矿忆 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t ”“”“”i i i 第一章绪论l 1 1 设备概述1 1 1 1 设备基本参数1 1 1 2 捏合工艺特点3 1 1 3 设备工艺过程3 1 1 4 国内外现有相关设备的分析3 1 1 4 1ei 对c h 公司混捏系统的组成4 1 1 4 2e i 刚c h 混捏机的结构分析4 1 2 课题的提出7 1 3 研究的目的和意义7 1 4 论文的主要研究内容以及研究手段8 第二章搅拌理论l0 2 1 传统的搅拌理论l o 2 2 新的搅拌理论lo 2 3 搅拌设备概述13 第三章低效区产生的原因及消除方法15 3 1 低效区产生的原因分析15 3 1 1 搅拌机的结构分析1 5 3 1 2 低效区的理论分析证明1 6 3 1 3 物料的性质决定存在搅拌低压区l8 东北大学硕士学位论文目录 3 2 低压区的消除方法1 8 第四章搅刀的分析与改进2 0 4 1 搅刀叶片安装角定性分析2 0 4 2 搅刀的分析与改进2 3 4 2 1 底层刮料搅刀2 3 4 2 2 中间搅刀2 5 4 2 3 顶层搅刀2 7 4 3 搅刀的安装方式以及分布研究2 8 4 3 1 搅拌轴的安装排布2 8 第五章搅刀受力有限元分析及其应用3 3 5 1a b a q u s 有限元分析软件介绍3 3 5 2 搅刀的有限元建模3 5 5 3 搅刀仿真的应用3 9 5 4 实际验证4 2 5 4 1 使用工况4 2 5 4 2 效果的对比4 2 结论4 5 参考文献4 6 致谢4 9 旷1丌竹y 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 设备概述 第一章绪论弟一早珀下匕 本设备为立式双轴强力冷却混捏机，是铝电解用碳素成型车间的重要设备，其功能 主要是将干粉物料( 粒度不同的碳粉) 和熔融沥青进行混合，使其达到均匀分布，为后 续阴极成型奠定良好的基础。 混捏是阴极生产的重要工序，主要完成煅后焦炭颗粒的均匀混合及骨料与粘结剂的 捏合，赋予糊料较强的塑性。混捏工序执行技术条件的好坏，将直接影响炭阴极的质量， 进而影响电解过程及生产成本。 为了提高产品质量，近几年，国内一些大的电解铝企业先后引进了部分国外生产的 混捏机，如e i c h 公司的d 2 9b u 型立式双搅拌轴混捏机等。它较传统的电解铝用阴 极混捏锅具有技术先进、通用性强、生产效率高、无污染等诸多优点，提高了阴极碳块 的产品质量，同时也改善了工作环境。这些混捏机由于结构上的设计优化，通用性强， 集成度高，显著提高了阴极碳块的产品质量，同时也改善了工作环境，对企业的技术进 步和发展做出了很大贡献。 然而，对于国内大中型企业和行业骨干企业而言，产品的关键生产技术不能完全依 赖于引进，生产线上的关键设备必须实现国产化，这样，才能让引进设备适应本国生产 的需要，降低设备的运行成本。 为了对引进的d 2 9b u 型立式双搅拌轴混捏机实现国产化，需要从混捏机理上深入 研究该设备的运行过程，只有从根本上了解该设备的工作机理，才能确保该设备国产化 过程中性能不降低或者有所优化，并且研究成果也可为改造其他生产车间传统的混捏设 备( 生产线) 提供相应的技术支持。 总之，对引进的双轴强力冷混捏机混捏原理进行深入分析，对于实现该混捏机的国 产化，提高公司的产品质量，降低设备的运行成本具有重要意义。 1 1 1 设备基本参数 d 2 9b u 型立式双搅拌轴混捏机主要由支撑机构总成，搅拌简体总成，2 套搅拌轴 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 总成，底部开口卸料阀总成，冷却喷淋系统总成，润滑油泵总成等几部分组成：规格尺 寸：c3 1 3 5 宰2 8 0 5 。其基本参数如下： 。 型号：e w 2 9 4 电源电压：3 宰3 8 0 v5 0 h z 驱动混捏盘电机：2 宰1 8 5 k w 直接起动 驱动右搅拌轴总成电机：7 5 k w 直接起动( 左右搅拌轴以测绘总装图所示进行区 分) 驱动左搅拌轴总成电机：1 l o k w 变频调速3 7 - 1 1 0 k w a 混捏盘转速：7 2 r ，m i i l 右搅拌轴转速：7 5 r m i n 左搅拌轴转速：5 6 1 6 5r m i l l 设备的总装图入图1 1 所示。 图1 1 立式双轴搅拌冷却混捏机 f i g 1 1v e r t i c a im i x i i l gb i a ) ( i a jc 0 0 l i n go ft l l eh e a d i n gm a c h i n e 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 捏合工艺特点 混捏机在炭素生产工艺过程中占有很重要的位置。混捏机主要应用在预焙电极生产 线中的生电极制备的工序中。对于该道工序本文总结出以下特点： 1 捏合操作往往伴有加热或冷却过程，一方面捏合机的单位容积具有足够的传热 面，另一方面运动零部件应能稳定快速地刮除传热面上粘着的物料并送回高剪切区，以 防止物料粘挂在器壁上： 2 在捏合机中很小间隙的高剪切区能产生高的切应力，使物料分散，同时混合机中 作驱动的零部件形状( 如叶轮形状) ，能保证物料在捏合机内的运动路径和运动范围不断 通过小间隙的高剪切区，以反复承受剪切而分散； 3 和其他混合操作相比，捏合操作难度大，混合时间长，且最终只能得到统计意义 上的完全混合状态； 4 捏合操作在单位容积中输入的功率很高，消耗功率大。 对于混捏存在的上述特点，本文分析现有的设备的基本原理以及存在的各项问题， 然后对其加以改进使其能够满足实际生产的需求。 1 1 3 设备工艺过程 本设备的在整条工艺生产线中的作用如下：把经过预热达到一定温度的多粒度煅后 优质无烟煤干料和定量液体沥青共同进入连续混捏机进行充分的搅拌混捏，得到的均质 电极糊料，这些糊料进入强力冷却机进行糊料冷却，最终得到理想的塑性材料，完成阴 极糊料的制备工作最终进入挤压成型机，生产出合格的生炭块。本设备具体的过程如下： 首先，在电气自动检测到混捏机运行状态良好、混捏机空载及底开阀关闭时，已在 电阻加热器内加热到约1 5 5 的物料排到混捏机中进行干混；干混一定时间后，加入液 态沥青，进行湿混搅拌。 湿混一段时间待基本搅拌均匀后，加入生碎料，进行混捏；混捏均匀后，喷淋冷却 水至预定检测温度，开启排风系统，抽走水蒸汽；再次混捏直至达到物料卸料温度；混 捏完成，底开阀打开、排料到圆盘给料机。 1 1 4 国内外现有相关设备的分析 生产目的不同，所采用的混捏机的类型和结构也不一样。我国大型预焙电极厂的阴 东北大学硕士学位论文第一章绪论 极糊生产线基本都是使用卧式混捏锅后加滚筒式凉料机( 强制间接冷却) 或其他输送 设备( 自然冷却) 的工艺方案。这种方案一直存在着提高 混捏温度和糊料成型温度之间 ， 的矛盾，同时整个冷却效果呈现出不稳定、适应性差等缺点。 近几年，随着e i 对c h 冷却机在国内大型预焙阴极糊料连续生产线上成功应用和 推广，在未来的一定时期内，糊料连续生产线的工艺流程将以卧式混捏机+ e i c h 冷 却机或e i m c h 混捏机+ e i 对c h 冷却机为主。事实上除了目前新建的预焙阴极厂大多采 用以上两种工艺流程外，一些传统糊料生产企业已经进行或准备进行，用e i r j c h 冷 箩 却机和原混捏机进行组合的改造。e i c h 公司立式双搅拌轴强力冷却混捏机无论在生 产工艺、内部结构还是混捏原理方面，都同国内常用的螺旋型混捏机有着很大的差另0 。 1 1 4 1e i m c h 公司混捏系统的组成 e i 对c h 公司的炭素混捏系统主要由称量装置、加料装置、混捏机和台式给料器等 组成。炭素生产过程中，原料通过中碎、筛分、磨粉等工序产生不同粒级的物料。按照 工艺要求，这些物料以一定的配比分别进入两台干料秤中进行称重，称重完毕后，一起 排入干料加热器( e w k ) 中加热，达到设定的加热功率后，排至强力混捏机进行干混。 干混完成后，从沥青秤向混捏机加入液体沥青，进行湿混，湿混结束后，根据出糊温度 要求，对糊料进行喷水冷却。喷水冷却完成后，糊料达到设定的出糊温度，糊料由混捏 机排至台式给料器中，准备压型，混捏机开始下一个混捏循环。 - 熙秤i熊秤： 图1 2 炭素混捏系统组成 f i g 1 2c a r b o nk n e a d i n gs y s t e mc o m p o n e n t s 1 1 4 2e i m c h 混捏机的结构分析 如图1 3 所示，混捏盘驱动电机带动混捏机转盘进行旋转，同时搅拌驱动电机通过 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 三角皮带驱动齿轮箱工作，带动搅拌装置高速旋转。通过一个旋转混合盘，以及偏心转 子和固定多功能刀具来实现物料的混合。多功能刀具分离并改变物料流。分离的物流被 导向反方向。转子高速旋转，作用于被混台盘和多功能刀具带动旋转运动的物流、混台 盘旋转。采用特殊的混合工具和加工技术，使物料产生水平和垂直方向的运动，以达到 最优化的混合均匀度。e i c h 混捏机可以设定为逆流或错流操作，这一设计无论在分 批投料还是连续投料生产条件下都能达到最佳的效果。 齿轮润滑 搅拌 驱动 搅拌 装置 液压 单元 f 料挡板 图1 3 混捏机示意图 f i g 1 3c o m p o s i t i o no f m i x e rs y s t e mo fe i r i c hm i x e r 混捏机的结构是决定混捏机理和物料运动轨迹的关键因素。e i c h 公司所生产 的立式双搅拌轴强力冷却混捏机是一种新型的立轴行星式搅拌机。其结构特点是：搅拌 叶片的回转中心与拌筒的几何中心不重合，二者之间有一个偏心距。工作时，搅拌叶片 除了有绕自身轴线的自转运动外，其转轴与拌筒还有相对转动，如图1 4 所示。 图1 4 行星式搅拌机的叶片运动形式 f i g 1 4m o v e m e n to ft h eb l a d eo fp l a n e t a 叮m i x e r s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 5 行星式搅拌机的物料运动轨迹 f i g 1 5 删e c t o 巧o fm a t e r i a lo fp l 锄e t a r ym i x 铘 这种搅拌机叶片的运动轨迹比较复杂，可以涉及到拌筒底面的任何位置，因而能 对拌筒内的所有物料进行有效搅拌。 e i c h 公司所生产的立式双搅拌轴强力冷却混捏机内，装有大小两个搅拌叶片 组。工作时，一方面，搅拌叶片绕着自己的轴线转动( 自转) ，另一方面，搅拌桶在电机 带动下缓慢旋转，这样，搅拌叶片组的转轴与拌筒形成了绕圆盘中心轴相对的转动( 公 转) 。这样，若干个叶片围绕圆盘中心公转的同时，还绕自身轴线自转，从而形成较为 复杂的运动轨迹，布满整个拌筒( 图1 5 ) 。行星式搅拌混捏机搅拌时，运动速度和方向 时刻变化，能对拌筒内所有物料进行有效搅拌，因而“死区”范围很小，这是e i c h 双 搅拌轴强力冷却混捏机在国内得到广泛应用的一个根本原因。 ( 2 ) 使用效果比较 在糊料的孔隙率方面，e i c h 混捏机的平均值为0 4 3c m 3 儋，传统混捏机的平均 值为o 5 7c m 3 儋( 挪威海德鲁铝业研究成果) ，由此可以看出e i 砌c h 混捏机明显优于传 统混捏机。表1 1 是e i m c h 混捏机在国内某厂使用的工艺参数，所获得产品的技术参 数见表1 2 【3 9 】。 表1 1 使用的工艺参数 t 沌l e1 1t e c h n o l o g i c a lp a 均m e t e r s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题的提出 国内现今碳素用混捏设备主要还是碳素阳极以螺旋型输送混捏机，其多种动搅刀 安装在很长的单轴上，筒体上安装多个定搅刀，设备传动装置复杂一主轴既有转动又有 轴向往复运动，设备维护检修及消耗件准备较难；碳素阴极混捏锅，其生产能力较弱， 对环境的污染较为严重。而且，执行工艺任务单一，还需在后续工序安装冷却设备，加 大了设备维护工作，降低了生产的连续性，增加对产品质量控制的难度。为提高铝电解 用碳素制品产量和质量，降低生产运行成本，当前国外在生产过程中已开始使用将生 产工艺中的混捏和冷却两道工序合二为一，减少设备数量，提高生产的连续性。 以德国e i c h 公司为代表的国外混捏机制造公司已开发出立式单、双搅拌轴强 力冷却混捏机，优点在于生产连续性强、安装空间较原螺旋型混捏机小、环保效果好、 搅刀形式简单便于更换和加工等。中铝贵州分公司已引进该公司生产的立式单、双搅拌 轴强力冷却混捏机。其中，立式单搅拌轴强力冷却混捏机用于碳素阳极生产，立式双搅 拌轴强力冷却混捏机用于碳素阴极生产。本文分析研究的是立式双搅拌轴强力冷却混捏 机。 1 3 研究的目的和意义 根据现今国际的电解铝工艺总体水平以及趋势来看，电解槽大型化、预焙化是当 今世界铝工业的发展的主要方向。采用大型预焙阳极电解槽，能极大地降低能耗，较好 地解决电解铝生产过程中存在的环境污染问题。因此生产技术装备大容量、自动化、智 能化、高效化、环保化是混捏机发展的趋势。 新建电解铝生产企业普遍采用预焙槽技术，且槽容量不断加大。3 2 0 3 3 0 l a 预焙 槽是目前世界上投入工业化生产的最大容量预焙电解槽，吨铝直流电耗1 3 0 0 0 1 3 5 0 0 k w h ，电流效率高达9 4 9 6 ；生产工艺过程全自动控制；采用高效、低能 耗的烟气净化装备，满足日益严格的污染物排放标准，减少环境污染，是对混捏机提出 的要求。 此外进口混捏机的零备件问题一直困扰着国内诸多炭素厂商，由于原装进口的零备 件成本价格高、供货时间长等原因使得先进的混捏设备在很长一部分时间只能闲置，极 大浪费了资源。对于这些问题需要深入研究进口设备的机理，开发出适合国内情况的混 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 捏设备。 目前国内还不能生产该设备，而且设备的许多零备件无法直接从国内厂商直接加工 获得，需要依赖进口，这对生产造成了严峻的挑战，也增加很多不必要的非生产性成本， 因此有必要对其认真的分析研究。图1 6 为实际使用后的搅刀情况，破损十分的严重。 这给实际生产带来了很大不利，需要频繁更换刀具，不仅耽误了生产进度，而且对搅拌 物料的效果造成了影响。 图1 6 生产实际使用后的搅刀 f i g 1 6b l a d eo f u s e di i lf j a c t 0 巧 为更好地发挥引进设备的效能，确保生产线的正常运行和降低运行成本，必须实现 国产化。然而，该混捏机混捏方式与传统的混捏机( 锅) 完全不同。因此，深入分析研 究该混捏机的混捏原理势在必行，进而从根本上了解其搅刀的工作机理，优化搅刀的结 构尺寸，提高搅刀的使用寿命，从而提高阴极碳块的产量和质量，为改造其他生产车间 传统的混捏设备( 生产线) 作好技术准备。 1 4 论文的主要研究内容以及研究手段 本课题的主要内容包括以下几个方面，对于改进原有设备作积极的探讨和优化。 1 在对原有设备测绘的基础上，掌握设备的第一手资料： 2 对原有搅刀进行分析，查阅相关资料，在科学分析计算的基础上对原有搅刀的各 东北大学硕士学位论文第一章绪论 项参数进行取舍，保留原有设备的优点，改进其不足： 3 通过有限元建模分析软件a b a q u s 对搅刀进行模拟，为硬质合金的合理焊接布 置提供理论依据： 4 分析本文的不足之处，对后续工作方向重点有一个明确的认识。 为了达到本课题研究的目的，本文利用生产的间歇对设备进行逐步拆解测绘，获得 了设备的第一手资料，为后续工作的开展提供了坚实的基础。 本文采用理论分析和试验研究相互结合，互为补充的方法。针对原有设备的搅拌不 均匀等问题，通过理论分析，指出原有搅刀的搅拌叶片安装角不够合理，通过对力和运 动的理论分析计算提出了一个相对较为合理的叶片安装角，为后续仿真试验研究提供理 论依据和试验基础；另一方面，由于时间以及现场生产作业条件的限制，在论文的工作 期间不能对设备的所有方面进行研究，重点针对搅拌效果影响较大搅刀进行分析和模 拟，对于其他方面的工作相对较少，在今后的工作中有待改进和提高。 东北大学硕士学位论文第二章搅拌理论 2 1 传统的搅拌理论 第二章搅拌理论 长期以来均匀度是衡量搅拌质量的主要指标，这种规定是传统概念的产物。传统 的搅拌理论认为，搅拌的主要任务是达到规定的均匀度。因此，各式各样的搅拌机的工 作机构，主要作用是使物料产生剪切、对流及扩散的循环流动，在物料位置的频繁迁移 中达到各组分的均匀分布。 在生产实践中发现，用现有的搅拌设备进行搅拌，一般在较短的时间内就可以达 到宏观上的均匀。但对这种拌和料仔细观察时，发现新拌的物料中虽然宏观上形成了糊 料，但是其中含有较多的团聚结块现象，如图2 1 ( a ) 所示。这些团聚结块在成型过程中 会给阴极成型造成很大影响，使废品率急剧上升。显然，宏观上均匀的混合料，微观上 并未达到均匀。 沥青和碳粉的这种团聚现象直接影响着阴极成型的质量。因为在挤压成型过程中 含有大块的团聚物料，则该部分挤压过程中就易出现断层现象，严重的影响成型效果。 更有甚者，在电解过程中整块阴极从团聚部分断裂，直接影响电解效果。所以，必须把 聚团的沥青和碳粉分开，使其尽可能接近图2 1 ( b ) 所示的理想分布状态。因此在搅拌过 程中，常采用各种强化方法，来控制物料复杂的结构形成过程，提高混合料的均匀度。 2 2 新的搅拌理论 搅拌过程就是搅拌机构连续不断克服混合料的屈服应力和塑性粘度造成的阻力的 过程。从本质上讲，搅拌过程就是在流动场中进行动量传递或者是进行动量、热量和质 量传递及化学反应的过程。其任务是要达到包括宏观和微观在内的均匀度。但实际上， 理想的完全均匀拌合是无法达到的，其最佳状态总是无序的不规则排列，是一种“概率 拌和”。【4 3 】 为了获得均匀的混合料，必须研究搅拌过程中物料的运动规律，研究搅拌机工作 机构与混合料间相互作用的关系，碳粉同沥青的搅拌过程中，同时存在着拌和与分离的 两种现象，是一动态的发展和变化过程，这可用曲线来定性地描述1 1 1 ，如图2 2 所示。 东北大学硕士学位论文第二章搅拌理论 ? ： ：f = 一 ( a ) 沥青和碳粉团聚( b ) 沥青和碳粉均匀分散 图2 1 沥青和碳粉的分布情况 f i g 2 1a s p h a l t 锄dc 盯b o np o w e rd i s t r i b u t i o ni ns y s t e m 图2 2 搅拌过程曲线 f i g 2 2m i x i n gp r o c e s sc u r v e 开始阶段的拌和主要是靠物料的循环流动来实现( i 段) 。此时搅拌过程在宏观水平 进行。组分间的相界面小，因此各组分间的扩散现象不明显，分离现象的影响也较小， 东北大学硕士学位论文第二章搅拌理论 搅拌过程的发展速度主要取决于搅拌机中物料流的运动特点。 舷时刻起各组分在搅拌机工作容积内的扩散分布加快，循环流动与扩散运动在拌和 中起的作用趋于相近。此时各组分，包括粘性组分的重新分布己在微观水平上进行，并 且从某一时刻起扩散运动起主要作用( i i 段) ，与此同时，粘结在一起的各组分再分离开 来的过程也加快。拌和与分离这两种相反的过程从某时刻f m 起基本上达到动态平衡。 此后，搅拌的实际意义已经不大，因为均匀度变化很小( i i i 段) 。个别情况时，上述相反 过程的平衡要比均匀度最好的r 卅时刻稍晚( i i i 段曲线2 ) 。在i i 段和i i i 段，物料颗粒重 新分布的速度不仅取决于物料的运动特点，而且取决于物料的结构流变特性：颗粒的大 小，相间表面的大小及粘结力的值等。 搅拌过程可按搅拌机内物料的运动形式来分类，可能有空间3 个方向的平移和绕 这三个方向的旋转6 种运动：1 ，。，1 ，：，v 捌，v ，。只存在1 种运动的搅拌机工作机构 最简单，但单调的物料运动形式不能保证搅拌质量。能保证同时具有这6 种运动形式的 工作机构又太复杂而难以实现。搅拌机的完善实际就是这些运动形式的增加和强化。 在搅拌过程中，各组分间不仅存在着物理作用而且存在着一定程度上的化学作用； 不仅混合物总容积发生了量的变化，而且其状态也发生了更迭。各相界面间的表面现象 对混合物形成过程有很大的影响。对搅拌作用来说，影响表面现象的最主要因素是相表 面间的吸附与扩散速度。它取决于碳粉等物料的移动性，活化的相表面积的大小，粘性 组分的分散速度，搅拌过程的工序特点和其它因素。因此，糊料搅拌的主要任务应从宏 观和微观两方面考虑，具体如下： ( 1 ) 各组分均匀分布，达到宏观及微观上的均质； ( 2 ) 破坏沥青和碳粉的团聚现象，促使弥散现象的发展； ( 3 ) 提高混合料各单元体参与运动的次数和运动轨迹的交叉频率，以加速达到均质 化。 为了达到上述目的，搅拌过程中物料的位移必须由两种运动来实现。第一种称为对 流运动，各组分在宏观上的均布，必须由拌筒内的循环流动来保证。这种运动在搅拌过 程中是最重要的，也是最基本的，特别是在搅拌的开始阶段。传统的搅拌机械主要就是 按这种要求来设计工作机构的。但是，只有这种运动是不够的。为使各相表面间良好的 结合，达到微观上的分布，主要是粘性组分的分布，相间还必须形成较快的扩散运动。 简言之，第一种运动是为了拌匀，第二种运动为了拌透；第一种是物料的宏观运动，第 砖 _ j i 一 _ j 东北大学硕士学位论文第二章搅拌理论 二种则主要是微观上的局部混合。 因此，比较完善的搅拌过程，物料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散 运动来完成，这就是新的搅拌概念。 本文对这台设备的改进就是遵循上述原则，不仅在宏观上保证物料的搅拌均匀，而 且在微观上使碳粉和沥青的结合达到较好的效果，为后续生产提供高质量的、混合均匀 的混捏物料。 2 3 搅拌设备概述 搅拌设备是碳素生产的必需设备，通过它将电解电极原材料的碳粉、沥青等按设定 的配合比，进行搅拌和出料，从而生产出符合质量要求的电解电极糊料。在各组成材料 和配合比一定的情况下，糊料的质量在很大程度上取决于搅拌设备的性能和水平。 经过多年的发展，已形成了多种机型来满足不同糊料的搅拌要求。各机型在结构和 性能上各具特色，可从不同角度进行分类，见表2 1 【1 】 表2 1 搅拌设备的分类 t a b i e 2 1c l a s s i f i c a t i o n0 fm i x i n ge q u i p m e n t 就其原理而言，基本可分为自落式和强制式两大类。自落式搅拌机是依据物料的自 落原理进行搅拌。其工作原理如图2 3 ( a ) ，搅拌机工作机构为简体，沿其内壁圆周方向 固定有若干搅拌叶片。工作时，拌筒绕一根水平轴线或倾斜轴线旋转，利用叶片对筒内 物料进行分割和提升，直到物料与搅拌叶片之间的摩擦力小于使物料下滑的重力分力 时，物料靠自身重力跌落，从而使各部分物料的相互位置不断进行重新分布而得到均匀 搅拌。通过搅拌叶片相对旋转轴线成一定的偏角，可使物料产生轴向窜动，改善搅拌效 果。这种机型结构简单、功率消耗和叶片磨损均较小，但其搅拌强度不够剧烈，一般只 适宜搅拌塑性和半塑性混凝土。常用的这类搅拌机有：双锥反转出料搅拌机，双锥倾翻 出料搅拌机等2 1 。 强制式搅拌机是在自落式搅拌机之后，随着干硬性混凝土的发展而逐渐发展起来 的。其工作原理如图2 3 ( b ) 和( c ) 所示，搅拌机工作机构是由垂直或水平设置的搅拌轴和 其上安装的搅拌叶片组成。与自落式搅拌机不同，它不是通过重力作用进行搅拌，而是 东北大学硕士学位论文 第二章搅拌理论 借助旋转的叶片对物料进行剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的 相对运动中得到均匀搅拌。这种机型的搅拌机，搅拌作用强烈，搅拌质量好，生产率高， 但磨损和功耗大，而且对骨料粒径有较严格的限制，适用于搅拌干硬性混凝土和轻骨料 混凝土。常见的这类搅拌机有：立轴涡桨式搅拌机，单卧轴搅拌机和双卧轴搅拌机等。 ( 曩) 自落式搅拌机 立轴强制式搅拌机( c ) 爵轴强制式搅捧机 图2 3 搅拌机的工作原理示意图 f i g 2 3s c h e m a t i co fm i x e r 东北大学硕士学位论文第三章低效区产生的原因及消除方法 第三章低效区产生的原因及消除方法 3 1 低效区产生的原因分析 3 1 1 搅拌机的结构分析 立式双轴搅拌机是属于强制式搅拌机的一种，是借助于搅拌叶片对物料进行强制导 向搅拌。无论是卧轴式，还是立轴式，无论是铲片式叶片，还是螺旋带式叶片，其基本 结构和工作原理都大致相似。它的拌筒一般呈圆形，垂直或水平设置的搅拌轴通过拌筒 中心，搅拌臂沿径向固定在搅拌轴上，搅拌叶片安装在搅拌臂外端。显然，在搅拌轴转 动时，搅拌臂上每一点的线速度是不同的。由于每一点的线速度与它距搅拌轴心的距离 成正比关系，即有： 1 ，= 缈尺 ( 3 1 ) 式中：1 ，搅拌臂上某点的线速度，m 酣s ； 缈搅拌轴角速度，s ； r 搅拌臂上某点至搅拌轴的距离，m 。 因此沿搅拌臂方向，速度呈三角形分布，形成了速度梯度，越是靠近搅拌轴的地方， 搅拌线速度就越低，如图3 1 所示。为了使碳粉和沥青的混合料在搅拌过程中不产生离 析，搅拌叶片线速度应受限于搅拌臂外端的最大值。这样，在靠近搅拌轴附近的区域内， 由于线速度相对较低，就形成了混合料搅拌的低效区【2 1 。 v - o 、 | 一，7 j l o 一一 图3 1 搅拌桶内速度梯度示意 f i g 3 1v 色l o c i t yg r a d i e n ti nm i x i n gd r u md i a g r 啪 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章低效区产生的原因及消除方法 显然，搅拌低效区是圆筒式强制搅拌机的固有现象，是搅拌机结构决定的固有缺 陷，其根本原因就在于拌筒内的搅拌臂上存在着速度梯度，而搅拌装置的结构和其几何、 运动参数则在一定程度上影响着低效区的范围和程度。拌筒尺寸的增大，搅拌轴转速的 降低，都会导致低效区影响的加重。 3 1 2 低效区的理论分析证明 以立式单轴搅拌机为例，结构如图3 2 所示。设拌筒工作容积为q ，圆柱体的内壁 半径为尺o ，安装叶片的旋转轴半径为尺l 。 图3 2 立轴式搅拌机原理图 f i g 3 2v e n i c a lm i x e r ss c h e m a t i c s 取空间圆柱坐标系( z ，i ，矽) ，其原点d 在底面圆心处，z 轴与圆柱壳体的几何轴线 重合，方向向上，则拌筒工作腔的数学描述为 f o z h1 r ， r ( 3 2 ) 【o 伊 2 万j 式中：何为混合物的高度。 搅拌过程中，在混合物任意容积内某组分的百分比含量形是随搅拌时间f 变化的， 东北大学硕士学位论文第三章低效区产生的原因及消除方法 可用微分方程描述为【7 】 詈呐罟+ h 瞰r 警) + 吉等 3 ， 式中：混合单元体中某关键成分的含量； r 一搅拌时间： 6 。、6 上水平与垂直方向的搅拌系数，其值由搅拌结构的几何和运动参数决 定。 上述方程的初始条件是 形l i o = 厂( z ，伊) 假设拌筒三个坐标方向按极限分布加料，在不同的搅拌时间测相应的混合料均匀 度，就可发现难以达到均匀的方向和原因。不同的布料方式如图3 3 所示。 ( - ) 分层布辩仆) 脚环形布料 ( c ) 扇形布料 1 粒度为l o o 目碳粉2 粒度为3 m m 碳粉3 粒度为5 m m 碳粉 图3 3 三种下料方式示意图 f i g 3 31 1 l r e et y p e so fi n p u tm a t e r i a id i a g r a m ( 1 ) 分层布料 将1 0 0 目碳粉、3 n u i l 碳粉以及5 i i u i l 碳粉分成三层，按层撒布，最后加沥青搅 拌。这时物料沿高度z 方向的初始分布最不均匀，数学表达式为 叫z 小舱苫三3 n 4 ， ( 2 ) 圆环形布料 这时物料沿半