陶瓷干法造粒機造粒立柱個數(shù)對混料效果的數(shù)值模擬

江竹亭，江 毅，李冠彪，徐振宇，方長福，廖達(dá)海

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

由于在造粒室內(nèi)流場往往只能獲取局部信息，不能使內(nèi)部流場可視化，故采用計算流體力學(xué)方法對造粒立柱進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬干法造粒過程的攪拌流場可使用CFD方法[13-16]，且具有一定的研究基礎(chǔ)。但以上方法還未應(yīng)用在針對陶瓷干法造粒室造粒立柱的模擬上。當(dāng)前有兩種數(shù)學(xué)計算的方法解決多相流問題[17]：歐拉-拉格朗日、歐拉-歐拉。歐拉-拉格朗日方法有DPM模型，此模型需要離散相的體積分?jǐn)?shù)小于20%[17]；歐拉-歐拉方法有VOF模型、Mixture模型、Euler模型。當(dāng)流場呈現(xiàn)分層以及自由面流動時可應(yīng)用VOF模型；研究湍流場的流動情況時應(yīng)用Mixture模型；對于同時存在湍流場和粒子流的流動應(yīng)用Euler模型。由于干法造粒過程中存在空氣相、顆粒相兩相流，且離散相(顆粒相)的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20%，且同時有強烈的湍流場及粒子流，故采用Euler模型模擬干法造粒中的混料過程。

通過研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷干法造粒機造粒立柱數(shù)目對混料程度有一定的影響，本文的實驗物料為陶瓷原料粉體，通過構(gòu)造在造粒過程中造粒立柱的數(shù)學(xué)物理模型，探究在造粒過程中造粒立柱數(shù)目變化對混料程度的影響，同時結(jié)合實驗結(jié)果分析造粒立柱數(shù)目對混料均勻性的影響。其研究結(jié)果對陶瓷干法造粒技術(shù)的發(fā)展具有理論指導(dǎo)意義。

1 造粒室與鉸刀的結(jié)構(gòu)尺寸

圖1為造粒室結(jié)構(gòu)示意圖，干法造粒室內(nèi)徑235 mm、高300 mm，初始加入陶瓷原料粉體質(zhì)量為5 kg，約占造粒室體積的1/4，粉體的高度70 mm。

圖2為鉸刀結(jié)構(gòu)示意圖，直徑d1=128 mm、厚度δ1=10 mm，葉片直徑d2=8 mm、長度L=20 mm，葉片底部與造粒室底部間距D=15 mm。

通過噴嘴口將霧化水(75%為水，其余為粘結(jié)劑和添加劑)加入造粒室內(nèi)，經(jīng)鉸刀葉片旋轉(zhuǎn)打碎陶瓷原料粉體，再由鉸刀下的造粒立柱對原料粉體旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)團聚現(xiàn)象形成球狀顆粒，以符合后續(xù)加工要求。由于添加劑體積小于造粒室體積的5%，故忽略不計。因此本文數(shù)值分析模型為氣固兩相流模型。

造粒室內(nèi)壁形狀近似為圓柱體，陶瓷原料粉體在干法造粒室內(nèi)經(jīng)過造粒立柱、鉸刀以順時針方向旋轉(zhuǎn)攪拌，與此同時干法造粒室以逆時針方向旋轉(zhuǎn)，將原料粉體加工為球狀顆粒，因此本文模擬的區(qū)域為干法造粒室的全部內(nèi)區(qū)域。

陶瓷粉體的粒徑分布范圍為0.008 mm-0.018 mm，平均粒徑為0.014 mm，通過噴入霧化水，原料粉體在造粒立柱及鉸刀配合作用下，將陶瓷粉體團聚為球狀顆粒(0.35 mm-0.85 mm)。攪拌主軸以1600 r/min順時針方向旋轉(zhuǎn)，造粒室以40 r/min逆時針方向旋轉(zhuǎn)工作，整個造粒過程為封閉空間。

圖2(b)為偏向鎂合金的焊接斷口放大12倍的形貌圖，無明顯周期性特征結(jié)構(gòu)存在，說明斷裂形貌還與基體金屬和及其成分有關(guān)。除焊縫底部組織致密，其他區(qū)域存在大量孔洞和絲狀拉拔結(jié)構(gòu)。其缺陷形成機理可能是由于攪拌頭偏向鎂側(cè)，鎂板攪入焊縫量增加，鎂塑性較差，隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)填充的金屬量不足，導(dǎo)致大量孔洞出現(xiàn)。部分塑性較好的區(qū)域，由于鎂合金均勻附著在鋁基體上，結(jié)合攪拌頭攪拌作用，形成絲狀疏松連接，拉伸斷裂后形成圖示絲狀拉拔結(jié)構(gòu)。

圖1 造粒室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of granulation chamber structure

圖2 鉸刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of reamer structure

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

粉體顆粒平均粒徑為0.013 mm，可作為擬流體相，流場需滿足各項物理守恒定律。粉體相與空氣相相互共存和共融。采用歐拉兩相流模型分析干法造?；炝线^程，動量守恒方程和連續(xù)守恒方程如下：

⑴連續(xù)守恒方程

粉體相的連續(xù)性守恒方程：

式中，αs、αg分別是粉體體積分?jǐn)?shù)比、空氣體積分?jǐn)?shù)比；ρs、ρg分別為粉體相密度、空氣相密度；νs、νg分別為粉體相速度矢量、空氣相速度矢量；分別為粉體相質(zhì)量傳遞、空氣相質(zhì)量傳遞

⑵動量守恒方程

粉體相動量守恒方程：

空氣相動量守恒方程：

式中，μs、λs分別為粉體相分子粘度、體積粘度，μg、λg分別為空氣相分子粘度、體積粘度；為粉體所受體積力，為空氣所受體積力；為粉體所受上升力為空氣所受上升力；分別為粉體相模擬質(zhì)量力、空氣相模擬質(zhì)量力；為粉體相與空氣相之間的作用力與反作用力為兩相共有壓力為粉體所受應(yīng)變張量、空氣所受應(yīng)變張量；是單位張量。

2.2 物理模型

2.2.1 邊界條件

攪拌主軸、鉸刀、葉片和造粒室壁面均設(shè)定為墻，由于鉸刀及造粒立柱旋轉(zhuǎn)速度很大，導(dǎo)致粉體在此區(qū)域運動速度高，設(shè)置成動區(qū)域，動計算區(qū)域采用滑移網(wǎng)格(Moving mesh)，造粒室其它區(qū)域設(shè)置成靜區(qū)域(Static zone)，靜區(qū)域采用多重參考坐標(biāo)系法(MRF)計算，動、靜區(qū)域設(shè)定為交界面相連，以進(jìn)行兩區(qū)域數(shù)據(jù)交換。造粒室模擬區(qū)域不與外界產(chǎn)生數(shù)據(jù)交換，具體設(shè)置如圖3所示，忽略其它因素對造?；炝线^程流場分布的影響。

圖3 造粒室物理模型Fig.3 Physical model of granulation chamber

2.2.2 網(wǎng)格劃分

由于鉸刀結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，不適宜使用Gambit軟件對其建立模型，故采用SolidWorks對鉸刀建立模型。因為鉸刀、葉片臨近區(qū)域幾何造型比較復(fù)雜，流場強度較其余位置高，故選用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，造粒室其他區(qū)域幾何造型較為規(guī)則，所以選用以六面體為主四面體為輔的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。整個計算區(qū)域劃分為兩個區(qū)域：鉸刀、葉片以及臨近區(qū)域為動計算區(qū)域，剩余區(qū)域為靜計算區(qū)域。如圖4所示，動區(qū)域網(wǎng)格單元數(shù)為64526個，靜區(qū)域網(wǎng)格單元數(shù)為41295個。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Sketch map of mesh generation

2.2.3 數(shù)值求解

通過Fluent軟件對造粒室內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬。采用壓力隱式求解算法求解非穩(wěn)態(tài)時的流場，通過歐拉-歐拉雙流體模型模擬流場分布情況，湍流模型選用k-ε模型中的RNG離散模型，離散相為一階迎風(fēng)格式，壓力-速度耦合相采用SIMPLE算法，所有變量收斂殘差值均小于1×10-3。鉸刀、葉片、攪拌主軸的轉(zhuǎn)速均為順時針2000 r/min，造粒室的轉(zhuǎn)速為逆時針100 r/min。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果軸向云圖分析

從圖5分析可知：當(dāng)立柱個數(shù)為6時，顆粒分布區(qū)域占造粒室體積的90%，且主要分布在造粒室下2/3處，主軸附近顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.06-0.14，內(nèi)壁面附近顆粒體積分?jǐn)?shù)主要為0.18-0.20，明顯大于主軸附近，表明顆粒在內(nèi)壁面附近堆積嚴(yán)重，占造粒室體積的20%-23%；當(dāng)造粒立柱個數(shù)為8時，內(nèi)壁面附近顆粒體積分?jǐn)?shù)主要為0.16，小于6立柱，顆粒堆積度有明顯改善，占造粒室體積的5%-7%；當(dāng)造粒立柱個數(shù)為10時，內(nèi)壁面附近顆粒體積分?jǐn)?shù)在0.16到0.20之間，顆粒堆積度較8立柱提高，占造粒室體積的11%-14%。

3.2 模擬結(jié)果徑向云圖分析

從模擬結(jié)果徑向剖視云圖6分析可知：在三種造粒室內(nèi)均取距底高度100 mm，160 mm，240 mm的平面查看顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖，當(dāng)造粒立柱個數(shù)為6時，距底高度100 mm處顆粒堆積嚴(yán)重，顆粒體積分?jǐn)?shù)大部分為0.18-0.20，并且大于0.18的面積占總面積90%以上，表明此處顆粒堆積最嚴(yán)重，距底高度160 mm處顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.04～0.20，大于0.18的面積約占總面積50%，距底高度240mm處顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.00-0.20，大于0.18的面積占總面積30%；當(dāng)造粒立柱個數(shù)為8時，距底高度100 mm處顆粒堆積程度較6立柱有明顯改善，顆粒體積分?jǐn)?shù)大部分為0.14-0.20，大于0.18的面積約占總面積13%，基本無堆積現(xiàn)象，距底高度160 mm處顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.04-0.18，表示顆?；旌狭己茫瑹o堆積現(xiàn)象，距底高度240 mm處顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.00-0.16，顆?；旌狭己?，無堆積現(xiàn)象；當(dāng)造粒立柱個數(shù)為10時，距底高度100 mm處顆粒堆積程度較8立柱有所提高，顆粒體積分?jǐn)?shù)大部分為0.14-0.20，大于0.18的面積約占總面積45%，存在堆積現(xiàn)象，距底高度160 mm處顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.04-0.18，大于0.18的面積約占總面積32%，距底高度240 mm處顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.00-0.16，顆?；旌狭己茫緹o堆積現(xiàn)象。對比以上三種造粒室，當(dāng)造粒立柱個數(shù)為8個，各立柱與粉體能夠充分接觸且?guī)臃垠w運動效率高，故顆粒堆積度低，各粉體組分混合均勻；而6立柱時雖然立柱與粉體充分接觸，但立柱數(shù)目過少，無法有效率帶動粉體的運動，10立柱時由于數(shù)目過多，導(dǎo)致不能與粉體充分接觸，進(jìn)而使粉體組分混合不均。

圖5 顆粒體積分?jǐn)?shù)軸向云圖分布Fig.5 The axis cloud map of particles volume fraction

圖6 顆粒體積分?jǐn)?shù)徑向云圖分布Fig.6 The radial cloud map of particles volume fraction

表1 坯料顆粒粒徑分布表Tab.1 Particle size distribution of blank particles

表2 坯料顆粒流動性參數(shù)測量值Tab.2 Measured flow parameters of blank particles

4 實驗結(jié)果分析

4.1 顆粒級配

基于三種不同類型的造粒鉸刀結(jié)構(gòu)，制備陶瓷干法造粒坯料顆粒，篩分坯料顆粒以獲得相關(guān)粒度分布如表1所示。當(dāng)造粒立柱為六個時，有效粉體集中分布在50-70目，且粒徑為20-80目的有效坯料顆粒占55.6%；當(dāng)造粒立柱為八個時，有效粉體集中分布在40-60目，且有效坯料顆粒占86.2%；當(dāng)造粒立柱為十個時，有效粉體集中分布在30-50目，且有效坯料顆粒占69.1%。由對比分析可得，當(dāng)造粒立柱為八個時，有效坯料顆粒所占比例最大為86.2%，此時坯料顆粒級配最優(yōu)。

4.2 流動特性

流動性指數(shù)是衡量坯料顆粒流動特性的重要依據(jù)。基于三種不同類型的造粒立柱，采用旋轉(zhuǎn)流場式陶瓷干法造粒技術(shù)制備坯料顆粒，借助多功能智能粉體物性測試儀(型號：BT-1001，丹東百特儀器有限公司)對所制坯料顆粒進(jìn)行壓縮密度、松裝密度、休止角、平板角等進(jìn)行檢測并記錄數(shù)據(jù)，并計算得出坯料顆粒的流動性指數(shù)，如表1所示。當(dāng)造粒立柱個數(shù)為8，所制坯料顆粒流動性指數(shù)為84.48，流動性最好。該結(jié)論驗證了圖7與圖8中數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

⑴研究表明，造粒立柱個數(shù)為8時，顆粒的堆積率為5%-7%，在三種造粒立柱里最低，原料混合最充分，并且通過實驗可知造粒立柱個數(shù)為8時，顆粒的流動性以及級配最佳。

⑵基于CFD方法建立了不同造粒立柱混料過程的數(shù)理模型，并實驗驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，說明了數(shù)理模型的可靠性，為陶瓷干法造粒過程可視化研究提供了相關(guān)理論依據(jù)。