（机械设计及理论专业论文）湍流式超细粉碎机的工艺优化试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文以湍流式超细粉碎机为研究对象，利用该机制取了几种材料的亚微米级 超细粉体。课题的研究目的是利用实验与理论分析相结合的方法对影响粉碎效果 的因素进行分析。在此基础上，利用模型分析的方法对粉碎机的工作机理进行了 探讨，为进一步优化粉碎机结构参数、改进结构提供了理论支持。 首先，介绍了与本课题有关的国内外气流粉碎设备和粉碎理论的发展现状。 利用均匀设计的方法对几种中药材进行了多因素、多水平超细粉碎试验，并且结 合实际情况对工艺参数进行了系统的分析，得出了在试验条件下的最佳工艺参 数。试验结果表明，各因素对粉碎效果的影响有一定差别。叶轮转速的提高和粉 碎时间的延长是造成粉体团聚的主要原因。在一定的加料质量水平下，每个叶轮 转速水平都存在着一个团聚时间，随着叶轮转速的提高，团聚时间呈现缩短趋势。 作者还对粉体的团聚机理进行了剖析。 其次，作者对目前气流粉碎机的各种数学模型进行了仔细分析。结合湍流式 超细粉碎机的实际情况，建立起了基于化学反应速率理论的粉碎动力学模型和基 于不可逆热力学过程的粉碎动力学模型，并且进行了实验验证。结果表明，基于 化学反应速率理论的粉碎动力学模型与本机的实验数据吻合的比较好，因此，可 以将这一模型作为以后对粉碎机进行进一步研究的理论依据。为了研究粉体粒子 在粉碎机内的运动规律，建立了基于扩散理论的粉碎与传输模型，为实现多参数， 多目标工艺优化打下了理论基础。为了改进粉碎机的结构设计，作者还建立了粉 碎机的相似模型，从而为机器的大型化设计和工业应用提出了研究方向。 关键词：湍流式超细粉碎机；试验研究；团聚；工艺参数优化；数学模型 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 a b s t r a c t p u l v e r i z e ro ft u r b u l e n c ew a sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ， b vw h i c hs e v e r a l m a t e f i a l ss u b m i c r o ns u p e r f i n ep o w d e rw e r ep f e p a r e d t h ep u r p o s eo ft h i s a s s i g n m e n ti st oa n a l y z et h ef e a s o n se f f e c t i n gr e s u l tb yt h ee x p e r i m e n t a lm e a n sa n d t h e o r ym e a n s b a s e do nt h e s ea c h i e v e m e n t s ， t h ew o r k i n gm e c h a n i s m0 ft h e p u l v e r i z e ro ft u r b u l e n c ew a sa n a l y z e d ， w h i c hw i l lp r o v i d eat h e o r vs u p p o f lf o r p a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o na n d s t r u c t u r e si m p r o v e m e n t f i r s t ，t h eu p t o d a t el h e o r ya b o u tj e tm i ua n dc o m m i n u t i o nt e c h n o l o g yw e r e i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h em u l t i v a r i a t ea n dm u l t i l e v e lc r u s h i n ge x p e r i m e n t sb a s e d o nu n i f o r md e s i g nw e r ec o n d u c t e d ， r e g a r d i n gs e v e r a lk i n d so ft r a d i t i o n a lc h i n e s e m e d i c i n ea se x p e r i m e n t a lm a t e r i a l i nt h es a m et i m e ， o p t i m i z a t i o n se f f e c t i n gr e s u l t w e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y ， a n dt h e nt h e0 p t i m a lo p t i m i z a t i o n si nt h ee x p e r i m e n t w e r eo b t a i n e d e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dt ov a l i d a t et h a tt h ec o n t r i b u t i o no f e a c h f a c t o rt ot h er e s u l tw a sd i s t i n c t t h ei n c r e a s i n go fi m p e l l e r sr o t a t i v es p e e da n dt h e w o f k i n gt i m e se x t e n s i o na r em a i o rr e a s o n st h a tc a u s et h ep o w d e r sp o l y m e r i z a t i o n w h e nt h em a s so ft h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i a li sd e f i n e d ， e v e r ys p e e do fi m p e l l e r s r o t a t i v es p e e dc o r r e s p o n d sw i t hap o l y m e r i z a t i o nt i m e b yt h ei n c r e a s i n go ft h e i m p e l l e r sr o t a t i v es p e e d ， t h ec o r r e s p o n d i n gp o l y m e r i z a t i o nt i m ed e s c e n d s t h e a u t h o ra l s oa n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fs u p e r f i n ep o w d e r sp o l y m e r i z a t i o n s e c o n d ，t h ea u t h o rh a sr e s e a r c h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fie tm i l lc a r e f u l l y a n dt h e nt h ed y n a m i c sm o d e lb a s e do nc h e m i c a lr e a c t i o nr a t ea n di r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i cp r o c e s sw e r ee s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ， t h ea u t h o ra l s ov e r i f i e dt h e t w om o d e lb ye x p e r i m e n t s ，w h i c hs h o w e dt h a tt h ed y n a m i c sm o d e lb a s e d0 n c h e m i c a lr e a c t i o nf a t ef i t t e dt h et e s td a t ap e f f e c t l y s ot h i sm o d e lc a nb et h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c h i no r d e rt os t u d vt h em o t i o nl a wo f p a r t i c l e si n s i d et h em a c h i n e ， t h ec r u s h i n ga n dt r a n s m i s s i o nm o d e lb a s e do n d i f f u s i o nt h e o r vw a se s t a b l i s h e d ， w h i c hh a sm a d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h e m u l t i - p a r a m e t e ra n dm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h em a c h i n e s s t r u c t u r e ，am o d e lb a s e do ns i m i l a r i t yt h e o r yw a se s t a b l i s h e d ， w h i c hh a s b r o u 2 h t u pt h er e s e a r c hd i r e c t i o nf b rt h em a c h i n e se n l a r g e m e n td e s i g na n da p p l i c a t i o ni nt h e i n d u s t r y k e yw o r d s ： p u l v e r i z e ro ft u r b u l e n c e ； e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ；p o l y m e r i z a t i o n ； p r o c e s sp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：习雨 日眦捧多月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日舰柞万月胆日 日憋她年石月j2 日 硕士学位论文 1 1 课题意义及背景 第1 章绪论 超细粉碎技术是近几年发展起来的一门新技术。它是指制备与使用超细粉体 的相关技术，其研究领域包括超细粉体的制备技术、分级技术、分离技术、干燥 技术、输送混合与均化技术、表面改性技术、粒子复合技术、检测技术、制造与 储运过程中的安全技术、包装运输及应用技术等。学科范围涉及材料、化工、冶 金、机械、生物、制药、农业、军事等多个领域。因此，它是一门典型的多学科 综合技术，研究难度大，许多现象至今尚无明确的理论解释。对于超细粉体，至 今也无明确统一的定义，一般认为粒径1 0 0 小于3 蛳m 的粉体为超细粉体。人 类对于粉体的认识和应用由来已久，粉体技术从古代陶瓷制各技术发展而来，并 刺激了工业革命的发展和化学工业的产生。1 9 4 3 年美国的j m d a l l a v a l l e 出版了 “粉体学，粒子技术挣，首次把粉体的制备和应用等归纳到一起。随后德国的h a n s r u m p f 等人对粉体的制备进行了分类，并且将物理化学与化学热力学介入到粉体 制备过程中，奠定了粉体技术发展的基础1 1 1 。 材料经超细化后，其表面电子结构和晶体结构发生了变化，产生了许多块状 材料所不具有的一系列优异的物理、化学性质，如表面效应、小尺寸效应、量子 效应、宏观量子隧道效应、表面活性高、比表面积大等。超细粉体的优良特性使 其作为一种新材料在宇航、电子、冶金、化学、生物和医学等领域展示了广阔的 应用前景。在精细化工和新材料领域以粉体为原料的产品约占5 0 ，粉体原料 成本占产品总成本的3 0 6 0 ，据统计，美国d u p o n t 公司1 9 8 5 年和1 9 9 2 年 3 0 0 0 多种产品中6 2 的是粉体或以其为基础的产品，其化学工业中4 0 的增值 源于超细粉体技术的进步。超细粉体技术已经成为制约油漆、涂料、化妆品、精 细陶瓷、磁记录材料等技术发展的基础。因此大力发展超细粉体技术可大大促进 上述产业的发展。 1 2 国内外气流超细粉碎设备发展现状 由于各种材料的性能各异，因此采用的粉碎方法也不尽相同。归纳起来主要 有物理方法和化学方法两大类( 如疆1 1 ) 。一 一般来讲，化学方法对工艺条件要求较高，成本高难以进行大规模生产，但 产品粒度好，分布也比较窄，主要用于生产纳米级粉体。物理方法比化学方法成 本低，适合工业大规模生产，经过分级、干燥、二次粉碎等手段后，也可以得到 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 质量较高的产品。目前工业生产超细粉体的方法主要是机械粉碎法。机械粉碎设 备主要有辊压式粉碎机、辊碾式粉碎机、高速旋转撞击式粉碎机、搅拌磨、球磨 式粉碎机、气流式粉碎机等。 镯1 1 超细粉体制各方法分类 气流式粉碎机又称气流磨，是指利用高速气流( 3 0 0 5 0 0 m s ) 或过热蒸汽 ( 3 0 0 4 0 0 ) 的能量，使颗粒相互冲击、碰撞、摩擦而实现超细粉碎的设备。 作为制备超细粉体的重要设备之一，气流粉碎机与其他类型的粉碎机相比具有以 下优点：产品粒度好。物料的平均粒度( d 5 0 ) 一般在5pm 以下，且粒度分布 窄。产品纯度高，特别适用与药品等不允许被污染的物料的粉碎。o 可粉碎低 熔点和热敏性物料。 产品颗粒活性高，分散性好。囝生产过程连续，生产能力 大，自动化程度高。 气流粉碎机的种类很多，目前尚没有统一的分类标准。按照颗粒被粉碎的方 式可分为单气流作用式和多气流作用式，按照流体介质种类可分为高速气流式和 热蒸汽流式等。按原化工部制订的z b g 9 0 0 0 5 8 7 专业标准超细粉碎机械名词术 语，将目前的气流粉碎机分为5 种，即：扁平式气流粉碎机、o 型气流粉碎机( 循 环式) 、对冲式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机。这一分类方法已被大多数人 接受。 2 硕士学位论文 1 2 1 扁平式气流粉碎机 扁平( 圆盘) 式气流粉碎机( m i c r o - j e t m i l l ) 是一种早期开发的气流粉碎机， 于1 9 3 4 年由美国f l u i de n e r g y 公司研制成功，技术已比较成熟。目前这种机型 的生产厂家主要有美国的s t u r t e r a n tm i l l 公司、j e tp u l v e r i z e r 公司、英国的a p e x c o n s t r u c t i o n 公司、日本的清新企业( s t j 型) 、中国的上海化机三厂( q s 型) 、 南京理工大学江苏省超细粉体工程技术研究中心试验基地( s t j 型和g q f 型) 等。图1 2 是其结构示意图。它的主要部件是一个圆盘粉碎腔，布置在喷射环上 与粉碎腔平面成一定角度的若干个( 6 2 4 个) 高压工质喷嘴，喷射式加料器、 成品捕集器等。物料由喷射式加料器的高速射流形成的负压吸入混合室后，被从 喷嘴进入的高压工质( 0 7 0 9 m p a ) 冲击，形成高速气固两相流并在粉碎腔内以 极高的速度旋转，同时颗粒间以巨大的动量相互碰撞、摩擦、剪切( 约占粉碎量 的8 0 ) ，又和粉碎腔内壁冲击( 约占粉碎量的2 0 ) 而被粉碎。由于相临喷嘴 间工质的速度差异使粉碎腔边缘形成的湍流场也会对粉碎起到一定作用。物料在 高速旋转时在自身产生强大的离心力的同时还受到废工质向中心排出时所产生 的冲击力，从而使物料在这两个方向相反的力的作用下达到分级。成品通过下方 的捕集器收集。 与其他机型相比，这种机型结构简单，操作方便，而且具有自分级功能。特 别适用与脆性软质物料的粉碎。缺点是粉碎腔磨损严重，对产品构成一定污染， 极限粒径比较高。南京化工大学的钱海燕等通过对a 1 2 0 3 和s i 0 2 的粉碎试验表 明，a 1 2 0 3 的极限粒径为4 8um ，s i 0 2 的极限粒径为3 5um 。长沙矿山研究院 的李关昌等通过在中心区设分级叶轮来降低粉碎粒径并取得一定成功，据报道， 所生产的超细锆英粉平均粒径可达0 4 3l lm 。 1 2 2 循环式气流粉碎机 j o m 循环式气流粉碎机( j e t o m i z e r ) 是于1 9 4 1 年由美国f l u i de n e r g y 公司 研制成功的。目前的主要生产厂家有美国r e d u c t i o n 公司、a l j e te n g i n e e r i n g 公 司( p j 型) 、日本清新企业、上海化机三厂( q s b 型，q o n 系列) 等。结构示 意图如图1 3 。它主要由o 型循环管、高压工质喷嘴、文丘里管及加料喷射器等 几部分构成。它的工作原理是：物料被加料喷射器的高速射流形成的负压吸入下 部粉碎腔后，经下部的一组高压工质喷嘴再次加速沿上升管上升，由于循环管道 的内外半径不同，气流和物料在管道内的运行轨迹和运行速度也不同，物料间及 物料和管壁间会产生强烈的碰撞、剪切和摩擦作用而使物料粉碎。物料和气流在 管道内的高速运动时产生的离心力场会促使大颗粒向管道外层运动，小颗粒向内 层运动，满足粒度要求的小颗粒由上部的惯性分级器排出。此种机型的优点是体 积小、生产能力大、结构简单，操作方便。缺点是对管道壁的磨损严重，不适合 3 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 图1 2 扁平式气流粉碎机结构示意图 1 文丘里喷嘴2 工质喷嘴3 粉碎室4 外壳5 衬圈 图1 3 循环式气流粉碎机结构示意图 l 产品出口2 分级区3 料斗4 压缩空气5 文丘里喷嘴 6 工质喷嘴7 压缩空气8 排水口9 粉碎区 高硬度和高纯度要求的物料的粉碎。上海化机三厂于上世纪9 0 年代开发成功了 q o n 7 5 型和q o n l 0 0 型循环式气流粉碎机。其对于传统机型的改进之处在于在 出料口处增设了一个曲率半径更小的二次分级腔和回料通道。在对产品粒度要求 4 硕士学位论文 比较高时，小颗粒可以进入二次分级腔继续粉碎、分级，从而进一步降低产品粒 度。对产品粒度要求不高时则可以关闭二次分级腔前的阀门。 1 2 3 靶式气流粉碎机 靶式气流粉碎机是靠物料粒子高速撞击冲击部件( 冲击靶、冲击环等) 而使 物料粉碎的一种气流粉碎机。按照靶板形式的不同大致可以分为固定靶式、超音 速冲击板式和冲击环式三种类型。图1 4 是一种典型的单喷式气流磨的结构示意 图。 固定靶式流粉碎机是最早出现的一种气流粉碎机，它由高速气流夹带物料颗 粒高速撞击固定靶板而使物料粉碎。粉碎的物料由出料口排出后经后序的分级器 分级后，粗颗粒返回料斗中被再次粉碎，细颗粒则作为产品被排出。最终的产品 粒度基本由分级器决定。另外还有一种活动靶式气流粉碎机，它的靶呈圆柱形并 且缓慢转动，从而使靶的磨损比较均匀。由于气流夹带物料对靶板的冲击十分强 烈，一般会使靶板的冲蚀非常严重，对产品造成一定的污染，所以靶板必须由超 硬材料制成。即使如此，冲蚀问题也无法彻底解决。南京理工大学的工程技术人 员曾采用碳化硅、碳化钨、渗氮处理材料及刚玉等制作靶板进行粉碎试验，连续 喷射石英1 0 h 后，靶上都冲蚀出了一个3 1 0m m 深的射流孔。因此，冲击靶式 气流粉碎机的工业化应用受到一定限制。一般只用来处理较粗的粒子，而且应用 比较少，已经趋于淘汰。国内的吕烘灿等人研制了一种新型板式气流粉碎机( 中 国实用专利c n 2 3 0 0 4 5 2 ) ，机内设置了内衬反射板，并设计了循环冷却水套，粉 体不堆积，广泛应用于镁铝合金和橡胶等的粉碎。 1 4 2 3 1 加料斗2 高压气体3 靶板4 被粉碎物料出口 图1 4 靶式气流磨结构示意图 为了减轻气流对冲击部件某一固定点长时间冲击引起的局部磨损，美国 f l u i de n e r g y 公司和日本的细川公司研制了冲击环式气流粉碎机( 图1 5 ) 。这种 粉碎机实际上是一种活动靶式气流粉碎机。它将固定的冲击部件改成了可以旋转 的冲击环。冲击环与喷嘴成一定角度，冲击环的转动方向与气流的喷射方向相反， 从而增大了撞击的相对速度，改善了粉碎效果。美国f l u i de n e r g y 公司的m j ( m i c r o - j e t ) 的设计喷射速度为2 0 0m s ，冲击环的转速为8 3 1 0 r m i n 。在m j 5 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 型的基础上，日本细川公司又生产了一种新的型号s u p e rm i c r om i l i ，在矿物和 医药工业中试用，其产品粒度可达l o i lm 。这种机型仍然没有彻底解决冲击部件 的磨损问题，而且相对旋转部件的高压密封问题难度比较高，不便维修。 图1 5 冲击环结构示意图 1 粉碎室内腔冲击面2 粉碎室3 冲击环4 工质喷嘴 1 2 4 对撞式气流粉碎机 这是一种利用两股高速射流相互对撞来使其中固体颗粒被粉碎的装置，成功 解决了高速气流对冲击部件的严重磨损问题，以美国m a j a c 公司研制的马亚克型 气流粉碎机( m a j a cj e tp u l v e r i z e r ) 为代表。它的工作原理是，两股等压等流量 的高压气体分别从同一直线的两侧射入混合室，并且与螺旋加料器送入混合室的 物料形成气固两相高速射流，在粉碎室内碰撞而使物料粉碎。由于气流的连续进 入，粒子在气流的作用下相互撞击并且沿上升管道向低压区运动。在上部经旋风 分级器分级后，小粒子排出机外，大粒子向下降落，并在二次空气的作用下经过 下料管重新进入粉碎区。图1 6 是对撞式气流粉碎机结构示意图。这种机型的优 点是生产能力大，冲击强度大，可以粉碎莫氏硬度9 5 以下的硬质、脆性、韧性 的各种物料。由于避免了高速射流对固定冲击部件的磨损，因此可生产较高纯度 的产品。目前的主要型号有日本的t j 系列、国产的q l m 型等。 1 2 5 流化床式气流粉碎机 流化床式气流粉碎机( f l u i d i z e db e do p p o s e dj e tm i l l ) 于1 9 8 1 年由德国的 a p l i n e 公司首先研制成功( a f g 型) ，是目前气流粉碎机的主导机型，应用广泛， 型号比较多。生产厂家也比较多，主要有德国的a p l i n e 公司( a f g 型) ， n a t z s c h c o n d u x 公司( c g s 型) ，上海化机三厂，昆山市超微粉碎机厂( q y f 型) 。 流化床式气流粉碎机按照给料方式可以分为重力给料式和螺杆给料式两种。 是螺杆给料式的结构示意图。它的工作原理是，物料利用二维或三维设置的数个 喷嘴( 3 7 个) 的气流冲击能，及其气流膨胀呈流化床悬浮翻腾而产生的碰撞、 摩擦进行粉碎，并在负压气流带动下通过顶部设置的涡轮式分级装置，细粉排出 机外由旋风分离器及袋式收集器捕集，粗粉受重力沉降返回粉碎区继续粉碎。这 种机型优点是，噪音低，占地小，产品细度高( d 9 7 可达3 1 0i lm ) ，粒度分布窄， 能耗低，( 与扁平式气流粉碎机相比约可节能3 0 4 0 ) ，粉碎效率高，采用 6 硕士学位论文 图1 6 对撞式气流粉碎机结构示意图 1 传动装置2 分级转子3 分级室4 入口5 螺旋加料器6 料斗7 高压工质 8 混合室9 粉碎室1 0 返回管1 1 上升管1 2 二次空气入口1 3 产品出口 a 1 2 0 3 ，s i c 等材料做易磨损件，因而可生产莫氏硬度大于1 0 的产品和高纯度产 品。图1 7 是螺杆给料式流化床气流粉碎机结构示意图。 然而这种机型虽然涵盖了多喷管、流场多元化、料层流态化、卧式分级化等 技术，也并非没有缺点，它的缺点主要表现在：粉碎室底部为卸料方便，多设 计成圆锥形状，但是对于二维流场的机型来说，由进料装置输送的物料一旦进入 这个盲区，则无法粉碎。o 粉碎腔内的流场只能部分实现流态化，喷嘴上部及粉 碎腔边缘则不能形成流态化。 由于物料在粉碎腔内流态化后才能被气流束缚撞 击粉碎，因此对于进料粒度上限有一定要求。对于密度、纤维状、片状的物料更 难于粉碎。 以上介绍了几种常用的气流粉碎机，各自有优缺点，相比较而言，流化床式 气流粉碎机具有明显的优势，代表了气流粉碎设备发展的主流方向【卜4 1 。 2 图1 7 螺杆给料式流化床气流粉碎机结构示意图 1 加料装置2 料仓3 螺旋给料器4 粉碎区5 工质喷嘴 6 流化床7 监视孔8 分级机9 产品出口 7 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 1 3 湍流式超细粉碎机 湍流式超细粉碎机属于一种常温气流式粉碎机，兰州理工大学机电工程学院 通过对其进行了大量粉碎试验，已经基本掌握了其工作机理，并且初步对粉碎腔 的流场进行了数值模拟，发现该机是一种理想的常温超细粉碎设备，在常温下， 对塑性和脆性材料均有良好的粉碎效果。研究表明，该机的基本工作原理是：叶 轮在电机带动下在粉碎腔内做高速反向旋转，在两叶轮之间形成高速旋转湍流 场，并且带动物料颗粒形成气固两相流，物料颗粒在流场中通过相互撞击、剪 切、摩擦而达到粉碎目的。其结构简图如图2 7 。 目前，我国在超细粉体技术方面还远远落后于发达国家。在粉碎设备的设计 研发方面，仿造外国机型较多，独立自主的进行系统的理论和应用方面的研究尚 少，湍流式超细粉碎机的研究与开发将有助于我国填补在超细粉体方面的技术空 白。 该机是利用湍流场来进行粉碎的，因此有必要对湍流旋流场进行一些初步研 究。按照流体力学的理论，流体的流动分为层流和湍流两种形态。层流是无旋的、 平滑的不相混合的流动；湍流是有旋的，在流动过程中除了按照一定方向的主要 流动外，还进行着宏观的混合运动，各个流动参数是做随机脉动的。观测表明， 湍流场中充满了大大小小的涡，即湍流涡体。整个湍流场形成一个大尺度涡体直 至最小一级涡体同时并存而又叠加的涡体运动。最大涡体的尺度与容器的特征尺 度或产生湍流的机械装置的尺寸同数量级，最小涡体的尺度收流体粘性所限制， 这是因为大涡体在混掺过程中，一方面传递能量，另一方面，不断分解成较小的 涡体，较小的涡体再分解成更小的涡体，由于小涡体的尺寸小，脉动频率高，阻 止小涡体运动的粘性作用大，从而湍流能量主要通过小涡体而耗散，这样，粘 图1 8 湍流超细粉碎机结构简图 1 进气口2 进料口3 叶轮 4 粉碎室5 一出料口 8 硕士学位论文 性就使涡体的分解受到一定限制。一般讲，小涡体靠近边界，大涡体在距离边界 较远处。涡体一般形成于流体的边壁，涡体在边壁附近形成之初，因受空间限制， 尺寸比较小，在上升过程中，其直径逐渐增大，形成大涡体；但是这种大尺寸、 高旋转的涡体，由于受流体粘性的作用，本身不稳定，要逐步破裂为各个级别的 小涡体，这样就使湍流中形成一个从大尺寸涡体直至最小一级涡体并存而又互相 叠加的涡体运动。 湍流中各种尺度的涡体，都伴随着有一定程度的脉动周期和动能含量。大涡 体混杂运动的脉动周期长，振幅大，频率低，所含的有效能量大，在大涡体分裂 成小一级的涡体的过程中，将能量传递给小涡体。因此大涡体主要起能量传递作 用。而小涡体脉动周期短、振幅小、频率高，与周围流体之间形成的相对速度大， 粘性剪切力也大，所以，能量损失主要是通过小涡体的粘性作用而产生的。从各 种不同的尺度的涡体的动能含量来看，也可以把湍流看成是各种频谱组成的运 一i 动。 湍流至今还没有严格定义，但是对湍流的特征已经有比较多的了解1 5 1 。 ( 1 ) 不规则性 湍流运动是由大小不等的涡体组成的无规则的随机运动。它的最本质的特征 是湍动，即随机脉动。其速度场和压力场都是随机的。 ( 2 ) 高扩散性 湍流的扩散性是湍流运动的另一个重要特性。湍流扩散加快了动量、热量、 质量的传输。湍流中由于涡体相互混杂，引起流体内部动量交换。动量大的质点 把动量传输给动量小的质点。动量小的质点影响动量大的质点，结果引起断面流 速的变化。 ( 3 ) 能量损耗 湍流中大小涡体的混杂运动，通过粘性作用大量消耗能量，最终将能量转化 为流体的热能。如果不连续的供给能量湍动将迅速衰减。 ( 4 ) 高雷诺数 湍流通常在高雷诺数下发生，可以看成是层流的非稳定性发展。而非稳定性 与反映运动规律的运动方程中的粘性项和非粘性项有关，虽然两项的作用很复 杂，但是通过量纲分析可以建立他们的一般关系。这个关系就是雷诺数。 re=纥( 1 1 ) 式中： v 特征速度；。 l 特征长度； y 流体的运动粘性系数。 由于湍流具有以上特性，使流场中的物理量处于不断的脉动变化中，从而使 物料颗粒的相互作用也具有脉动性。这对于加速颗粒的疲劳断裂非常有利。 9 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 1 4 粉碎相关理论 由于粉碎过程是一个涉及断裂、团聚、动量传输、热量传输、机械力化学等 行为的复杂过程，因此，粉碎理论涉及多个学科，主要包括颗粒的表征、粉碎的 断裂理论、功耗理论、数学模型的建立等。 1 4 1 颗粒的表征 颗粒的表征包括粒径的表征、粒径的分布、颗粒的形状的表征等内容。 1 4 1 1 粒径的表征 颗粒的大小用其在空间范围内所占的线性尺寸来表示。由于颗粒形状的多样 性，球形颗粒的直径就是颗粒的粒径，非球形颗粒的粒径则可以用一些代表数值 来表示，这包括当量直径，三轴径，投影径等来表示。同一颗粒由于应用的场合 不同，测量方法也往往不同，所得到的粒径数值也不同，如在用显微镜观察颗粒 时，用颗粒的投影径表示就比较方便。 1 4 1 2 粒径分布 颗粒系统的粒径大小相等时，可以用单一粒径表示其大小，这类颗粒称为单 颗粒体系。实际颗粒大都由粒径不等的颗粒组成，这类颗粒称为多粒度体系。粒 度分布是用简单的表格、绘图或函数的形式来表示颗粒群粒径的分布状态。 频率分布表示各个粒径对于相应得颗粒的百分含量。这种表示形式对于了解 颗粒的总体力度分布状况比较直观。 累计分布是指小于某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量。百分含量的基准可 以用颗粒个数、体积、质量，长度或面积1 4 j 。 1 4 1 3 颗粒形状的数学分析 颗粒形状的数学分析是指将颗粒的几何形状用一些数学函数来表述，常见的 方法有f o u r i e r 函数法、方波函数法和分数维法1 4 】。 1 4 2g r i f f i t h 疲劳断裂理论 材料在承受外力作用时，产生断裂之前，首先产生弹性变形，这时候材料并 没有破坏，当外力撤销后，又恢复原来的形状，当变性达到一定的程度后，材料 硬化，应力增大，当弹性变形达到极限后，开始出现永久变形，即进入塑性变形 阶段，当塑性变形达到极限后，材料才开始破坏。但是，有的材料的屈服点并不 显著。一次受拉或受压的破坏形式是不同的。 观察材料的断面形状，材料的破坏形式一般有两种基本状态，一种是在垂直 应力作用下被拉裂，一种是在剪切应力下产生滑移，当然更多的情况是两者同时 发生。对材料施加压缩力时，当达到材料的压缩极限时，材料产生纵向破坏，如 1 0 硕士学位论文 果继续施加压缩力，则已经破坏了的材料将进一步破裂，即会产生破碎。由于很 难确定材料破碎时作用于材料各个部分的应力，因此计算应力分布是十分困难 的。所以，在实际情况中，准确确定每个破碎粒子的应力分布几乎是不可能的。 但是，大量粒子的破碎毕竟是以单个粒子的破碎为基础的，研究单个粒子的破碎 有利于探究材料在特定情况下的粉碎机理。 1 4 2 1 裂纹及其扩展条件 对于粉碎机理的解析，源于g r i f f i t h 的断裂理论。在理想情况下，如果施加 的外力未超过物体的应变极限，则物体被压缩而作弹性变形，除去载荷时，物体 又恢复了原状而未被粉碎。事实上，在上述过程中，物体虽没有被破坏，没有增 加新表面，却生成了若干裂纹，特别是扩展了物体原有的微裂纹。另外，由于局 部薄弱面的存在( 不均质的解理面、原有的大裂纹等) ，或因为颗粒形状不规则 致使所加之力首先作用在突出点或凹陷部位，形成应力集中。 g r i f f i t h 理论认为，材料内部存在许多细微裂纹，由于这些裂纹的存在，使 周围产生应力集中。如果物体内部主应力为拉应力而且垂直于裂纹，如图1 9 中 的s 。，那么在裂纹的端部将产生大于主应力几倍的应力。即使主应力为压应力s c ， 则裂纹边界上的a 点也会产生拉伸。 当上述应力达到材料的抗拉强度时，裂纹将扩展。当与原拉应力垂直的裂纹 长度增加时，应力集中将更大。裂纹的扩展一旦开始，必然导致材料的破坏。因 此，虽然不能说裂纹的产生和扩展是材料破碎的唯一形式，但无疑它是固体材料 尤其是脆性材料破碎是主要形式。 由此可知，裂纹的产生和扩展必须满足力和能量两个条件。作为力的条件， 裂纹尖端产生的局部应力必须大于尖端分子之间的结合力。由物理学测试可知 道，扩展裂纹尖端吸收的能量大大超过界面表面能的数量级，其大小与材料的种 类及断裂速度有关。如果用应力来表示，也就是说裂纹尖端的应力比实际抗拉强 度大2 3 个数量级。即： 图1 9 裂纹的应力集中 l l o c 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 争一拦础2 2 ) 仉y 口 其中，分子结合力为 = 停 ( 1 3 ) 实际抗拉强度为 q 一停 ( 1 4 ) 式中： y 比表面能( 单位表面积的表面能) ； y 一杨氏弹性模量； a 一裂纹尖端半径； l 裂纹长度 由式( 1 2 ) 可得l = 1 0 4 a 。 假定裂纹尖端半径等于原子之间的间距，即a = 1 n m ，则裂纹长度l = 1 蛳m 。 就能量条件而言，破碎时的能量消耗主要有两方面：一是裂纹扩展时产生新 表面所需的能量e n ；二是因弹性变形而存储与固体中的能量e v 。显然，如果载荷 所施加的能量、或固体因断裂或产生裂纹所释放的弹性能足以满足产生新表面所 需的表面能，那么裂纹就有可能扩展1 6 。引。因此裂纹扩展的条件可表示为： 盟之堡( 1 5 ) md l 式中： e = 2 j 丫( 裂纹扩展后形成的两个断裂面) ； 岛一等； q 拉应力。 因此，式( 1 5 ) 可以表示为 一 裂纹扩展的临界应力为 式中： l 裂纹扩展的临界长度。 譬2 y 2 y 仃- 鲥2 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 硕士学位论文 。令式( 1 5 ) 中丝；盟；g ，称为裂纹扩展力。可按弹性变形理论近似计算。 1 4 2 2 裂纹扩展速度与物料粉碎速度 如果输入裂纹尖端的能量超过了裂纹扩展所需要的表面能，则多余的能量就 转化为动能促使裂纹的扩展，其扩展速度可以用下式表示【2 】： “一o 3 8 屹1 一乞 ( 1 8 ) 式中： 屹固体中的声速； 屹一吾，其中p 为物料密度。 设f 为物料粉碎时的新生表面积，则物料粉碎速度 ，。皇；与物料中的声速 v 。有如下关系： ： ，一七p t ： ( 1 9 ) 式中： k 与粉碎工艺及设备有关的系数。 1 4 3 粉碎的功耗理论 粉碎功耗是粉碎机械及粉碎作业设计时首先考虑的问题之一。显然，它与粉 碎机的类型与粉碎方式有关，由于粉碎是以减小粒径为目的，因此，通常粉碎功 耗就以粒径的函数来表示，可用如下的微分方程表示【1 】： 把一一q 罟 ( 1 1 0 ) 式中： e 粉碎所需功； x 一粒径； g 、一常数。 此式称为l e w i s 公式。 若取n = 2 0 ，积分即得r i t t i n g e r 定律：粉碎所需要的功耗同材料新生表面积 成正比。即： n g 廿骢吨， 此式适用于破碎。 1 3 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 若取n = 1 o ，积分即得k i c k 定律：粉碎所需功耗与颗粒的体积成正比，粉碎 后颗粒的粒度也成比例的减小 e 目q b g ( 乏) 2q 。b g ( 妾) n j 2 ) 此式适用于破碎。 若取n = 1 5 ，积分即得b o n d 定律：粉碎单位质量的均质材料的功耗与生成 粒径的平方根成反比。即： n g ( 去一去) _ 。( 压一同 ”) 此式适用于破碎。 以上三式中： 为、易一粉碎前后的粒径； s 、& 粉碎前后的比表面积： c 、c 常数 鉴于颗粒粒径是一个难以确定的参数，和目前比表面积的测定取得了较大的 进步，精度有了很大的提高，田中达夫于1 9 5 4 年提出了用比表面积表示功耗定 律的通式，并假定：比表面积对功耗量e 的增量同极限比表面积s 。与瞬时比表 面积s 之差成正比，即 筹。k ( 一s ) ( 1 1 4 ) n、一， 将上式积分，当& s 时，可以得到如下的简单表达式： s s 。( 1 一e 一腰) ( 1 1 5 ) 式中k 为常数，k 可以由冲击粉碎和研磨粉碎得到，如果以i 和j 分别表示冲击 粉碎和研磨粉碎，则不同物料的k = k k ；的值也不同。这说明随着粉碎的进行， 粉碎能力降低，需用粉碎功增大，粉碎效率下降，田中式不是介于l ( i c k 和r i l t i n g e r 定律之间的中间式，而是相当于n 2 的情况，适用于微粉碎。 必须指出，上述的有关粉碎功耗定律，只能在同一粉碎条件下使用，当条件 变化的时候还要重新确定参数。其次，对于连续粉碎和闭路粉碎而言，由于粉碎 过程是连续的粒度变化，上述公式亦不适用。此外，对于超细粉碎而言，必须考 虑如何放大，或者找出产生作用的主要因素。 1 4 4 影响粉碎效果的因素 气流粉碎机工艺性能的影响因素包括结构参数和工艺参数。结构参数是指机 器自身的各种几何参数，包括喷嘴的结构，分级设备的选型等。工艺参数指由于 1 4 硕士学位论文 生产操作而影响设备工艺性能的各种参数，包括入料粒度的控制、进料速度的控 制、高压工质的选择、粒度极限等。这里只对工艺参数做一简要探讨。 1 4 4 1 入料粒度的控制 多数气流粉碎机对于入料粒度有一定的上限要求。以流化床式气流粉碎机为 例，物料进入粉碎腔后得到充分加速后才能与其他粒子碰撞而粉碎。大粒子进入 粉碎腔后难以得到充分加速，会使其在机内停留时间过长，造成能耗过高。所以， 在大规模生产超细粉体时，对于粒径过大的原料进行预粉碎是节能降耗的一个行 之有效的办法。事实上，进料粒度与最终的产品粒度分布频率是有一定关系的( 如 图1 1 0 ) 。图中a 指粉碎前物料粒度的分布曲线，b 指粉碎后物料粒度的分布曲 线。a + c 为全部进料，b + c 为全部的产品。c 部分是进料中已满足粒度要求的 部分，进入粉碎机后，直接被分级机分离，不消耗粉碎能。实际被粉碎的部分是 a ，得到的部分是b 。物料经预粉碎后，会增大c 部分的面积，从而减小能耗。 图1 1 1 为武汉工业大学的吉晓莉等利用a f g 6 3 0 型流化床式气流粉碎机得到的 比能耗( 生产单位质量产品所消耗的能量) 和产品细度的关系【1 0 l ，从图中可以 看出，通过预粉碎可节约大量能量。 乏 量 堡 娄 图1 1 0 原料与产品粒度分布 n 心3 1 ， 1 i 、- - 一 - _ 一 12 4 6 81 0 2 04 01 粒径d r 1 2 3 图1 1 1a f g 6 3 0 型流化床式气流粉碎机的比能耗和产品细度的关系 l 进料细度2 4 m m2 进料细度0 8 0 0um3 进料细度 1 0 0i lm 舢 姗 枷 暑 m 柏 己 坩 湍流式超细粉碎机工艺参数优化试验研究 1 4 4 2 工作介质 目前气流粉碎机的工作介质( 简称工质) 主要有压缩空气、过热蒸气、惰性 气体等。工质的选择对于粉碎效果和经济性是有一定影响的。过热蒸气在流动性、 临界速度、运动粘性系数等方面优于空气，能获得较高的气流速度和均匀的流场。 但是，采用过热蒸气作工质必须保证其在进入产品捕集装置以前仍处于过热状 态，否则会引起物料的凝结。另外还要有蒸气发生装置，使用高温滤布，在管道 和除尘器上增设保温装置等，如此不但会使工艺流程复杂，而且会大大增加成本。 大量实验表明，对那些既可使用过热蒸气又可使用压缩空气粉碎的物料，应该优 先选用压缩空气，且使用热空气粉碎经济性最佳。 另外，工质的压强对于粉碎效果也有一定的影响。工质气流的动能是粉碎效 果的决定性因素之一，它通常与喷气流速度的平方成正比，而喷气流的速度在很 大程度上取决于工质压强的大小，所以，工质的压强对于粉碎效果的影响是比较 明显的。图1 1 2 是清华大学的张克等利用g t m 1 0 型扁平式气流粉碎机以空气 为工质对石榴石进行粉碎实验时得出的工质压强与粉碎效果的关系1 1 1 l 。由此可 见，工质压强越高，粉碎效果越好。但是普通空压机的