渦流分級機(jī)分級精度影響因素的研究進(jìn)展

趙雪珍，周勇敏

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210009)

渦流分級機(jī)是粉體制備行業(yè)的重要設(shè)備之一。隨著科技的發(fā)展，社會的進(jìn)步，生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)中對于分級設(shè)備不僅要求其分割粒徑小，而且要有較高的分級精度。渦流分級機(jī)作為第三代氣流分級機(jī)，分級流場穩(wěn)定、分級精度高、分級性能好，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。第三代渦流空氣分級機(jī)分級精度的提高以及阻力損失的降低，仍有很大的潛力[1-2]。

1 渦流空氣分級機(jī)的分級原理

渦流空氣分級機(jī)的分級機(jī)理如下：物料從上方的進(jìn)料口給入，經(jīng)撒料盤后均勻拋向四周。氣流從兩個平行對稱的進(jìn)風(fēng)口切向進(jìn)入，并沿螺旋形蝸殼經(jīng)環(huán)形安置的導(dǎo)風(fēng)葉片進(jìn)入轉(zhuǎn)籠外邊緣和導(dǎo)風(fēng)片內(nèi)邊緣之間的環(huán)形區(qū)。由于風(fēng)機(jī)的抽吸作用，在轉(zhuǎn)籠中心形成負(fù)壓，進(jìn)入該環(huán)形區(qū)的氣流將絕大部分進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，并在轉(zhuǎn)籠中心處作90°轉(zhuǎn)彎沿軸向折向排出管流出。待分級的物料經(jīng)撒料盤分散后，在重力的作用下進(jìn)入到環(huán)形區(qū)，隨氣流抽吸帶到轉(zhuǎn)籠外邊緣附近，此時物料顆粒在離心力和曳力的的作用下產(chǎn)生分級。細(xì)顆粒隨氣流排出，粗顆粒則與蝸殼壁相碰后落入底部的錐形排料斗排出[3-4]。

2 影響分級精度的因素

2.1 操作條件對渦流分級機(jī)分級精度的影響

渦流分級機(jī)的操作參數(shù)，主要包括進(jìn)料速度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

進(jìn)料速度直接影響分級機(jī)的粉體處理量和產(chǎn)量。從節(jié)能方面講，應(yīng)增大進(jìn)料速率，但是在實(shí)際分級過程中，當(dāng)其他操作參數(shù)不變時，隨著進(jìn)料速率的增加，分級機(jī)內(nèi)固體顆粒濃度增大，粗細(xì)粉之間的碰撞、團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，分級效率和分級精度下降[1, 5]。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對渦流分級機(jī)分級精度的影響。分級機(jī)的轉(zhuǎn)子是影響顆粒分級的主要因素之一。轉(zhuǎn)速的增加，有利于切割粒徑的減小，可以使顆粒所受的離心力大大增加，有利于細(xì)顆粒被甩出。同時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，分級區(qū)域內(nèi)氣流的徑向速度變小，而切向速度增加，這使得顆粒以較高的速度撞擊到葉片上。這些顆粒與葉片撞擊后，會發(fā)生彈跳，粗顆粒有可能被彈入葉輪內(nèi)部，使得細(xì)粉中進(jìn)入粗顆粒，影響了分級精度。因此，我們應(yīng)盡量采取措施，減小氣流的切向速度，增加氣流的徑向速度，以達(dá)到較高的分級精度[1,6-9]。

風(fēng)機(jī)風(fēng)量對渦流分級機(jī)分級精度的影響。風(fēng)量也是渦流空氣分級機(jī)操作中重要的工藝參數(shù)之一。一方面，風(fēng)量的大小直接影響分級粒徑的大??；另一方面，風(fēng)量的大小還決定了氣流承載物料的能力。如果風(fēng)量太小，氣流不能在分級區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生足夠的曳力，不利于細(xì)粉的迅速排出，也影響渦流空氣分級機(jī)的產(chǎn)量和分級效果[1, 9-11]。分級機(jī)的風(fēng)量要選取一個合適的值，且要與轉(zhuǎn)速配合好，以達(dá)到好的分級效果。從分級的實(shí)際過程來看，最好是在風(fēng)量和轉(zhuǎn)速都較高的情況下分級。

2.2 轉(zhuǎn)子葉片對渦流分級機(jī)分級精度的影響

葉片數(shù)量對渦流分級機(jī)分級精度的影響。在氣流流速相同的情況下，轉(zhuǎn)子葉片增加有利于顆粒的分級，這是因?yàn)槿~片數(shù)量少，流道相對長度縮短，增大了流道的擴(kuò)散度，容易在流道中產(chǎn)生漩渦，葉片數(shù)增加，可減小葉道內(nèi)軸向渦流的強(qiáng)度。同時，葉片數(shù)量增加，徑向速度增大，切向速度減小，這有利于顆粒只受到向內(nèi)的氣體曳力和離心力的作用，減小顆粒與葉片的碰撞，有利于顆粒的分級[1,12-13]。

葉片傾角對渦流分級機(jī)分級精度的影響。葉片傾角對于分級精度也有影響。實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)角度傾斜的葉片有利于達(dá)到較好的分級效果。在葉片角度為正角度時，如果增加葉片長度，也會得到較好的分級效果。在負(fù)角度的情況下，隨著葉片長度的增加，非工作葉片末端的回流區(qū)越來越大，這種回流對其間顆粒產(chǎn)生較大的作用，不利于顆粒的分級[1,14-15]。

葉片型式對渦流分級機(jī)分級精度的影響。轉(zhuǎn)子葉片型式對分級機(jī)分級精度也有很大的影響。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子葉片為徑向葉片，由于徑向葉片間易產(chǎn)生慣性反漩渦流，使分級精度下降。慣性反漩渦會導(dǎo)致分割粒徑在一定范圍內(nèi)分散，分級精度降低[16]。劉家祥、徐德龍指出，在轉(zhuǎn)籠的徑向葉片間增設(shè)窄葉片，可減小轉(zhuǎn)籠徑向葉片間的慣性反漩渦流，提高分級機(jī)的分級精度[2,17]。他們還研究了渦線型(流線型)葉片，研究結(jié)果表明，采用渦線型轉(zhuǎn)子葉片，能有效降低慣性反漩渦的產(chǎn)生，提高分級機(jī)的分級精度[2]。

任朝富、劉繼光等人研究了一種氣流入口后彎、出口前彎的異形轉(zhuǎn)子葉片(S型)并相應(yīng)增大葉片間距，這樣有效抑制了慣性反漩渦，利于細(xì)粉的進(jìn)入和粗粉的拋出[18]。他們還研究了一種葉片外側(cè)(氣流入口處)后彎、內(nèi)側(cè)(氣流出口處)前彎的“Z”字形轉(zhuǎn)子葉片[19]。他們研究的這兩種異形轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)不同，但是原理基本相同。入口后彎可減少葉片背風(fēng)面的反漩渦，出口前彎可以使流體迅速流出，減少了出口處葉片背風(fēng)面附近的回流現(xiàn)象。

黎國華等人利用CFD軟件模擬了一種帶后彎導(dǎo)板的新型葉片形狀。研究表明，這種新型葉片可以抵消轉(zhuǎn)子一定轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生的附加反漩渦，從而使流場穩(wěn)定，容易形成整流，提高了渦流分級機(jī)的分級精度[20-21]。

2.3 物料分散對分級機(jī)分級精度的影響

為提高渦流空氣分級機(jī)的分級精度，在分級之前，物料必須進(jìn)行充分的分散。對于物料的分散主要有兩個方面：一是物料分級前的預(yù)分散；二是分級機(jī)內(nèi)的分散。分級機(jī)內(nèi)的分散主要是不同型式撒料盤對物料的分散作用。在此主要討論分級機(jī)內(nèi)的分散對分級精度的影響。

屈鴻屋、李慧鈞研究了機(jī)械撒料盤的工作原理。試驗(yàn)結(jié)果表明，盤面上有徑向凸棱的平板撒料盤，對物料分散效果最好[22]。白寶同改造了離心分級機(jī)的撒料盤，結(jié)果使物料分散變好[23]。劉家祥、徐德龍等人研究了不同高度的徑向凸棱撒料盤對分級精度的影響，他們還提出了一種改進(jìn)的帶徑向凸棱的平板撒料盤。這種改進(jìn)的帶徑向凸棱的平板撒料盤，可減小分割粒徑，提高分級精度[24]。日本A.bition公司對O-sepa選粉機(jī)進(jìn)行改造，生產(chǎn)的A-sepa選粉機(jī)采用蝶形撒料盤，即撒料盤外周部分向上翹起，中部焊有漸開線狀的分料板。研究表明，這種撒料盤分散效果好，有利于分級精度的提高。

2.4 轉(zhuǎn)籠通道型式對分級機(jī)分級精度的影響

轉(zhuǎn)籠通道型式對渦流分級機(jī)的分級精度影響很大，常見的轉(zhuǎn)子葉片間通道的橫截面，隨著半徑減小而減小。付俊提出，轉(zhuǎn)籠徑向葉片間通道做成里大外小，可保證偶然進(jìn)入轉(zhuǎn)籠葉片通道中大于分割粒徑的粗顆粒，在通過轉(zhuǎn)籠葉片間通道時仍能被甩出，從而提高了分級精度[25]。劉家祥等人研究了里小外大、等寬道和里大外小3種轉(zhuǎn)籠型式。研究指出：在轉(zhuǎn)籠葉片數(shù)相等的情況下，通道型式按照里小外大、等寬道、里大外小的順序，分割粒徑由小變大，分級精度由大變小[2]。

2.5 導(dǎo)流特性對分級機(jī)分級精度的影響

導(dǎo)流葉片數(shù)量對導(dǎo)流效果的影響。 從理論上講，增加導(dǎo)流葉片數(shù)量有利于流場均布，但是由經(jīng)驗(yàn)公式p=K1S(p為經(jīng)過導(dǎo)流葉片的阻力損失；K1為實(shí)驗(yàn)系數(shù)；S為導(dǎo)流葉片總表面積)。為取得較好的導(dǎo)流效果而增加葉片數(shù)量，將導(dǎo)致表面積增加，壓力損失p增大，磨損加劇。

導(dǎo)流葉片型式對導(dǎo)流效果的影響。傳統(tǒng)的導(dǎo)流葉片都是徑向安裝的平板導(dǎo)流葉片，易產(chǎn)生顆粒返混現(xiàn)象，影響分級效率和分級精度。李進(jìn)春、李雙躍等人研究的一種 “L”形導(dǎo)流葉片，可以使粗、細(xì)顆粒路徑較清晰，分級過程穩(wěn)定[26]。同時，葉片之間的氣流通道外小內(nèi)大，這樣的設(shè)計(jì)有利于分級精度的提高。Seeker公司開發(fā)的非均布導(dǎo)流葉片，是在進(jìn)風(fēng)口氣流較強(qiáng)處，葉片按某一規(guī)律分布較密，其余部分分布較稀。李雙躍、李洪等人通過模擬，比較了以上兩種異型導(dǎo)流葉片的導(dǎo)流效果。研究表明： “L”形導(dǎo)流葉片的導(dǎo)流效果較非均布導(dǎo)流葉片的導(dǎo)流效果略差[27]。

3 結(jié) 論

以上的論述，對于渦流分級機(jī)的設(shè)計(jì)具有很大的指導(dǎo)意義。在設(shè)計(jì)的時候，應(yīng)該注意到以下幾點(diǎn)：

(1) 物料的分散對分級精度有很大的影響。在設(shè)計(jì)渦流分級機(jī)的分散裝置時，要同時考慮粉體的預(yù)分散和分級機(jī)內(nèi)的分散。

(2) 轉(zhuǎn)籠有圓柱形和圓錐形兩種形式，在轉(zhuǎn)速相等、風(fēng)量和中位徑相同的前提下，要獲得同樣的切割粒徑，圓柱形轉(zhuǎn)籠所需的葉片轉(zhuǎn)速幾乎是圓錐形葉片轉(zhuǎn)速的兩倍[28]。

(3) 轉(zhuǎn)子葉片型式對于分級機(jī)分級精度的影響也很大。我們在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子葉片型式時，不僅要考慮轉(zhuǎn)子葉片的形狀，還要考慮葉片的數(shù)量和葉片安裝角。

(4) 導(dǎo)流葉片應(yīng)該能有效降低顆粒返混現(xiàn)象，導(dǎo)流葉片的形狀、數(shù)量、安裝角度，都是在設(shè)計(jì)時要考慮的因素。

(5) 在已開發(fā)研制的渦流分級機(jī)中，很多的分級機(jī)采用了三次空氣。三次空氣可以強(qiáng)化分級機(jī)對被分級物料的分散和分級作用，使分散和分級作用反復(fù)進(jìn)行。但是，一般三次空氣的風(fēng)量為總風(fēng)量的10%～15%，有限的風(fēng)量和局部分選，很難產(chǎn)生明顯效果，反而擾亂了上部分級室流場的穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)分級機(jī)時，不宜采用三次風(fēng)[29]。

[1] 蓋國勝. 超細(xì)粉碎分級技術(shù)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

[2] 劉家祥，徐德龍. 高效節(jié)能渦流空氣分級機(jī)[P].中國.實(shí)用新型專利.99234784.X.2000.

[3] 馮永國.渦流空氣分級機(jī)結(jié)構(gòu)與分級性能研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2007.

[4] Hiroshi Morimoto，Toshihiko Shakouchi.Classification of ultra fine powder by a new pneumatic type classifier[J].Powder Technology，2003，131:71-79.

[5] J.Galki, W.Peukert,，J.Krahnen.Industrial classification in a new impeller wheel classifier[J].Powder Technology，1999，105:186-189.

[6] 陸厚根.渦輪式超細(xì)氣流分級技術(shù)研究和設(shè)備研制[J].粉體技術(shù)，1995，1(3)：1-6.

[7] 楊慶良.渦流空氣分級機(jī)流場的數(shù)值模擬與測量研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2005.

[8] S.T.Johansen, S.R.de Silva. Some considerations regarding optimum flow fields for centrifugal classification[J].Mineral Processing，1996(44-45):703-721.

[9] Lijie Guo, et al. Velocity measurements and flow field characteristic analyses in a turbo air classifier [J].Powder Technology，2007，178:10-16.

[10] 徐政，蓋國勝，盧壽慈. 轉(zhuǎn)速和風(fēng)量對轉(zhuǎn)子型分級機(jī)葉片間流場影響的數(shù)值模擬研究[J]. 化工冶金，1999(20)：380-385.

[11] 劉家祥，張宇.渦流空氣分級機(jī)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和進(jìn)口風(fēng)速對物料分散效果和分級精度的影響[J]. 有色金屬，2005，57(3)：81-85.

[12] 楊詩成，王喜魁. 泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[13] 嚴(yán)敬，嚴(yán)利.對美國一最新離心葉輪設(shè)計(jì)資料的分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，35(3)：65-67.

[14] 韓永志.渦輪葉片多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化及祭祀技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[15] 杜妍辰，王樹林.顆粒在渦輪式分級機(jī)分級輪中的運(yùn)動軌跡[J].化工學(xué)報(bào)，2005，56(5)：823-828.

[16] 劉家祥，徐德龍，趙江平，等.渦流分級機(jī)內(nèi)慣性反漩渦對顆粒分選的影響[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，30(1)：63-66.

[17] 劉家祥，徐德龍，徐通模.改進(jìn)渦流分級機(jī)轉(zhuǎn)籠通道結(jié)構(gòu)提高分級性能[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31(1)：18-20.

[18] 任朝富，劉繼光，李雙躍，等.SLK選粉機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能研究[J].水泥，2008(6)：16-19.

[19] 李進(jìn)春，等.渦流分級機(jī)異形葉片的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].中國粉體技術(shù)，2009，15(3)：1-4.

[20] 黎國華，等.一種新型葉片渦輪分級機(jī)流場的數(shù)值模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(2)：32-35.

[21] 黎國華，吳剛，聶文平.渦輪分級機(jī)葉片間流動狀態(tài)特性研究[J].礦山機(jī)械，2005，33(4)：35-36.

[22] 李慧鈞，屈鴻屋. 空氣選粉機(jī)機(jī)械式撒料盤的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 水泥，1991(1)：6-11.

[23] 白寶同. 普通離心式選粉機(jī)撒料盤的改造[J]. 水泥，1990，(8)：45.

[24] 劉家祥，徐德龍，羅永勤，等. 渦流分級機(jī)撒料盤的試驗(yàn)研究[J]. 水泥，1998(2)：16-19.

[25] 付俊. 高效動態(tài)選粉機(jī)工作原理及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 水泥廣東建材，1996(1)：11-13.

[26] 李進(jìn)春，等. “L” 形渦流分級機(jī)導(dǎo)流葉片的數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J]. 化工進(jìn)展，2008，27(12)：1959-1963.

[27] 李雙躍，等. 基于FLUENT的平面渦流分級機(jī)導(dǎo)流特性研究[J]. 中國粉體技術(shù)，2008(1)：20-23.

[28] A.Bauder，F(xiàn).Müller，R.Polke. “L” Investigations concerning the separation mechanism in deflector wheel classifiers[J]. Mineral Processing，2004(74)：147-154.

[29] 梅芳，張慶紅，陸厚根. 渦輪式氣流分級機(jī)分級精度影響因素分析[J]. 粉體技術(shù)，1996，2(3)：12-17.