渦流空氣分級機(jī)工藝參數(shù)對窄級別產(chǎn)品粒徑分布和產(chǎn)率的影響

張勝林，諶永祥，李雙躍

（西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，對粉體的要求越來越嚴(yán)格，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一，粒度要求更細(xì)，如電視機(jī)用黑底石墨乳的粒度要求小于lμm；用于節(jié)能減磨添加劑的石墨平均粒度要求為0.5μm。第二，除粒度要求細(xì)外，粉體的粒度組成要求也十分嚴(yán)格，這在磨具磨料行業(yè)表現(xiàn)尤其突出。如W 25（磨料）對粒度的要求如表1；又如，在水泥工業(yè)上，對3～30μm的顆粒的含量要求為普通硅酸鹽水泥為 40%～50%，高快硬硅酸鹽水泥為50%～60%，超高快硬硅酸鹽水泥為大于 70%[1]。它們對顆粒的要求特點(diǎn)是既限制粒度上限，又限制粒度下限，即所謂的窄級別產(chǎn)品。顯然，產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對粗粒和細(xì)粒的含量均提出了嚴(yán)格的限制。

表1 W 25（磨料）的粒度要求

近年來，關(guān)于窄級別的研究更多的是對超細(xì)窄級別的研究[2-5]，而對粒徑分布在任意狹窄區(qū)間的窄級別產(chǎn)品的研究文獻(xiàn)報(bào)道較少。要想通過一次分級獲得窄級別產(chǎn)品，在現(xiàn)有分級機(jī)的水平上是很難實(shí)現(xiàn)的，而兩次分級的配合則可以很好地解決這一難題，即利用第一級分級來分離原料中的大顆粒，第二級分離原料中的細(xì)顆粒。本文通過實(shí)驗(yàn)研究這種渦流空氣分級機(jī)的窄級別實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于磨料等窄級別粉體的生產(chǎn)，以期對窄級別產(chǎn)品的生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的裝置如圖1所示，由喂料部分、打散部分、第一級分級部分、第二級分級部分和物料收集部分5個(gè)主要部分構(gòu)成，以分級系統(tǒng)和收集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，外加打散部分和翻板閥。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：原料經(jīng)螺旋喂料機(jī)2進(jìn)入打散機(jī)構(gòu)3，打散機(jī)構(gòu)對物料進(jìn)行打散、分散。分散后的物料被送到一級旋風(fēng)收塵器 4，物料被初次分選。大部分物料經(jīng)翻板閥5進(jìn)入第一級分級機(jī)7進(jìn)行第一次分級，一級收料袋8得到一號產(chǎn)品。分級后的物料經(jīng)二級旋風(fēng)收塵器9進(jìn)入第二級分級機(jī)10，物料被第二次分級，二級收料袋12得到二號產(chǎn)品。最終的細(xì)粉和兩極旋風(fēng)收塵器的細(xì)粉被袋式收塵器14收集，為三號產(chǎn)品。離心風(fēng)機(jī)Ⅰ13為第二級分級機(jī)提供二次風(fēng)，離心風(fēng)機(jī)Ⅱ16讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在負(fù)壓下進(jìn)行。另外，第一、第二級分級機(jī)均設(shè)有轉(zhuǎn)速計(jì) 6，以測量轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速。在第二級分級機(jī)的二次風(fēng)口處設(shè)有測速儀11，以測量二次風(fēng)的大小。在離心風(fēng)機(jī)的出口處和兩個(gè)旋風(fēng)收塵器之間均設(shè)有閥門15，以調(diào)節(jié)風(fēng)量。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中所采用的儀器如下：

圖1 渦流空氣分級機(jī)的窄級別實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

激光粒度分析儀，LS-13-320型，美國貝克曼庫爾特有限公司；智能熱球式測速儀，ZRQF-D30J型，北京檢測儀器有限公司；超聲清洗器，BK系列，濟(jì)南巴克超聲波科技有限公司；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)，SZC-04B型，無錫市興洲儀器儀表有限公司；電子天平，常熟JJ精儀廠；打散機(jī)，Yl12M一2型，山東紅衛(wèi)電機(jī)股份有限公司；分級機(jī)，O-Sepa選粉機(jī)，型號N-350。

1.3 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料采用重質(zhì)碳酸鈣和水泥生料，粒度組成列為表2。

表2 重質(zhì)碳酸鈣和滑石粉原料粒度組成

1.4 實(shí)驗(yàn)條件

渦流空氣分級機(jī)顆粒切割粒徑公式見式（1）[6-8]。

由式（1）可知：在分級機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)量確定的條件下，切割粒徑由轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。設(shè)定第一級分級機(jī)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為n1，對應(yīng)切割粒徑為d1，理論上，第二級分級機(jī)可以獲得粒徑分布為0～d1的原料。同理，設(shè)定第二級分級機(jī)轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為 n2（n2＞n1），對應(yīng)的切割粒徑為d2，粒徑分布在0～d2的顆粒進(jìn)入轉(zhuǎn)籠被袋式收塵器收集。粒徑分布在d2～d1的顆粒由于受到較大的離心力而被二級收料袋收集，成為窄級別產(chǎn)品。由此可見，窄級別產(chǎn)品的粒徑的分布范圍d2～d1由兩級分級機(jī)的轉(zhuǎn)速差來決定。

需要注意的是：第二級分級機(jī)的轉(zhuǎn)速n2必須大于第一級分級機(jī)n1，否則進(jìn)入第二級分級機(jī)的物料由于離心力不足而全部進(jìn)入轉(zhuǎn)籠，二級收料袋將收集不到任何物料，獲得窄級別產(chǎn)品就無從談起[9]。

另外，二次風(fēng)能分散物料，抑制細(xì)粉團(tuán)聚，防止細(xì)粉進(jìn)入二級收料袋。所以第二級分級機(jī)的二次風(fēng)速對改善窄級別產(chǎn)品的粒度分布具有重要意義。

根據(jù)以上分析可知，在渦流空氣分級機(jī)的窄級別實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上。決定產(chǎn)品粒度分布的主要工藝參數(shù)為：兩級分級機(jī)的轉(zhuǎn)速差和第二級分級機(jī)的二次風(fēng)速。由此設(shè)定實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)如表3所示。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)每次稱取15kg原料，按表3所示的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速由SZC-04B型電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)測量，分級機(jī)二次風(fēng)速由ZRQF-D30J型智能熱球式測速儀測量。每次實(shí)驗(yàn)后將三處收料袋收集到的產(chǎn)品進(jìn)行稱重，對二級收料袋中的產(chǎn)品進(jìn)行取樣，由LS-13-320型激光粒度分析儀測定其粒度組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，為了直觀地反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制如圖3～圖5所示的粒徑分布曲線圖。

2.1 轉(zhuǎn)速差對窄級別產(chǎn)品粒徑分布的影響

表3 工藝參數(shù)表

圖3為在二次風(fēng)速均為10m/s的條件下，不同的轉(zhuǎn)速差對窄級別產(chǎn)品粒徑分布的影響。可以看出，各轉(zhuǎn)速差下的產(chǎn)品粒徑分布曲線近似成正態(tài)分布，

并且都比原料的粒徑分布曲線窄。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速差的減小，兩種原料的粒徑分布曲線都變窄，且曲線的極大值都右移。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)F-1、F-2、F-3的兩級分級機(jī)的轉(zhuǎn)速組合為1000～1400r/m in、1000～1800r/m in、1000～2200r/m in，由轉(zhuǎn)速和切割粒徑成反比可知，第一級分級機(jī)的切割粒徑d1都相等，而第二級分級機(jī)的切割粒徑d2,F-3＜d2,F-2＜d2,F-1，則 d1－d2,F-3＞d1－d2,F-2＞d1－d2,F-1，所以隨轉(zhuǎn)速差的減小，產(chǎn)品的粒徑分布曲線變窄并且極大值右移。

表4 重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)品產(chǎn)量以及粒度組成表

圖3 二次風(fēng)速相同的條件下轉(zhuǎn)速差對窄級別產(chǎn)品粒徑分布的影響（v=10m/s）

圖4 轉(zhuǎn)速差和二次風(fēng)速相同的條件下兩種物料的窄級別產(chǎn)品的粒徑分布曲線（Δn=400r/m in，v=10m/s）

圖5 轉(zhuǎn)速差相同的條件下二次風(fēng)速對窄級別產(chǎn)品粒徑分布的影響（Δn=400r/min）

圖4為轉(zhuǎn)速差和二次風(fēng)速相同的條件下兩種物料的窄級別產(chǎn)品的粒徑分布曲線。可以看出，兩種物料的3組實(shí)驗(yàn)的粒徑分布曲線都較窄，粒徑分布均較集中，產(chǎn)品的平均粒徑按F-6、F-4、F-1的順序增大。考究其原因，F(xiàn)-6、F-4、F-1的轉(zhuǎn)速組合為1800～2200r/m in、1400～1800r/m in和 1000～1400r/min，其轉(zhuǎn)速差均為400r/m in，較小，所以粒度曲線都較窄。又因?yàn)榈谝患壏旨墮C(jī)的轉(zhuǎn)速按1800r/m in、1400r/min、1000r/m in的順序遞減，第二級分級機(jī)轉(zhuǎn)速按2200r/m in、1800r/min、1400r/m in的順序遞減，根據(jù)轉(zhuǎn)速跟切割粒徑的關(guān)系可知，當(dāng)兩級分級機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)減小時(shí)，窄級別產(chǎn)品的平均粒徑變大。

由以上分析可知，在其他參數(shù)不變的條件下，可以同時(shí)增大或減小兩級分級機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以獲得不同平均粒徑的窄級別的產(chǎn)品，可以滿足任意狹窄區(qū)間的窄級別產(chǎn)品的要求，從而滿足產(chǎn)品對粒徑分布在不同狹窄區(qū)間的要求。

2.2 二次風(fēng)速對窄級別產(chǎn)品粒徑分布的影響

圖5為轉(zhuǎn)速差相同的條件下二次風(fēng)速對窄級別產(chǎn)品粒徑分布的影響。可以看出，隨著二次風(fēng)速的增大，兩種原料的產(chǎn)品的粒度分布曲線都變窄，粒度分布更加集中，并且水泥生料的粒度分布曲線變得更窄。這是由于在分級的過程中，細(xì)粉和超細(xì)粉夾雜、團(tuán)聚現(xiàn)象很嚴(yán)重，由于“魚鉤”效應(yīng)[10-13]，大量的細(xì)粉進(jìn)入到下錐體，對產(chǎn)品的窄級別產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。而二次風(fēng)的增加，加強(qiáng)了物料的分散，有效地減弱了細(xì)粉的團(tuán)聚，使混入產(chǎn)品的細(xì)粉大大減少，產(chǎn)品的窄級別質(zhì)量大大提高。又由于水泥生料比重質(zhì)碳酸鈣更容易團(tuán)聚，二次風(fēng)速對其分散作用更強(qiáng)，所以水泥生料產(chǎn)品的粒度分布曲線變得更窄。

2.3 窄級別產(chǎn)品的產(chǎn)率、均勻度和轉(zhuǎn)速差的關(guān)系

為了考察窄級別產(chǎn)品的產(chǎn)率、均勻度和轉(zhuǎn)速差的關(guān)系，增設(shè)實(shí)驗(yàn)：在喂料量為15kg和二次風(fēng)量為10m/s的條件下，調(diào)節(jié)兩級分級機(jī)的轉(zhuǎn)速為：1000～1200r/m in、1000～1600r/m in、1000～2000r/min，其余步驟與前文一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖6 窄級別產(chǎn)品的產(chǎn)率、均勻度和轉(zhuǎn)速差的關(guān)系

從圖6可以看出，窄級別產(chǎn)品的產(chǎn)率隨轉(zhuǎn)速差的減小而降低，均勻度隨轉(zhuǎn)速差的減小而增加，即產(chǎn)品的粒度分布變窄。則隨著產(chǎn)品的粒度分布越窄，產(chǎn)品的產(chǎn)率越低。為了解決產(chǎn)品的產(chǎn)率和均勻度之間的矛盾，在給定窄級別產(chǎn)品粒徑分布要求的條件下，逐漸增大轉(zhuǎn)速差到滿足要求為止，此時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速差為最佳轉(zhuǎn)速差Δn0，在此轉(zhuǎn)速差下制備的窄級別產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率要求均能得到保證。

3 結(jié) 論

（1）兩級分級機(jī)的轉(zhuǎn)速差決定了獲得的窄級別產(chǎn)品粒徑的分布范圍，轉(zhuǎn)速差越小，粒徑分布范圍越窄。轉(zhuǎn)速差越大，粒徑分布范圍越寬。為了滿足不同狹窄區(qū)間的窄級別產(chǎn)品的要求，可以同時(shí)增大或者減小兩級分級的轉(zhuǎn)速，即可獲得不同平均粒徑的窄級別的產(chǎn)品。

（2）二次風(fēng)速對改善窄級別產(chǎn)品的粒徑分布具有重要意義，隨著二次風(fēng)的增大，產(chǎn)品中的細(xì)粉明顯減少，粒徑分布變窄，分級機(jī)的效率大大增加。由于水泥生料比重質(zhì)碳酸鈣更容易團(tuán)聚，二次風(fēng)速對其分散作用更強(qiáng)，水泥生料的粒度分布曲線變得更窄。

（3）窄級別產(chǎn)品的產(chǎn)率隨轉(zhuǎn)速差的減小而降低，均勻度隨轉(zhuǎn)速差的減小而增加。增加轉(zhuǎn)速差到剛好不能滿足產(chǎn)品的窄級別要求為止，此時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速差為最佳轉(zhuǎn)速差Δn0，在此轉(zhuǎn)速差下生產(chǎn)得到的窄級別產(chǎn)品能同時(shí)保證粒徑分布和產(chǎn)率要求。

[1] 王復(fù)生，張捷，王光明，等.水泥物料高細(xì)粉磨的意義及要求[J].水泥，2001（1）：14-15.

[2] 徐政，盧壽慈.轉(zhuǎn)子型氣力超細(xì)分級機(jī)分級性能的研究[J].有色礦山，1988（5）：43-46.

[3] 沈義俊.新型離心超細(xì)分級機(jī)分級性能研究[J].流體機(jī)械，1994，22（4）：20-22.

[4] 錢海燕，葉旭初，王雅琴.NHJW-I型干法超細(xì)粉分級機(jī)的設(shè)計(jì)和性能[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（1）：31-35.

[5] 王成端，陳海焱，陳文梅.超微粉渦輪分級機(jī)性能參數(shù)分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2000，32（6）：46-50.

[6] 劉圣照，劉家祥，郭麗杰.渦流空氣分級機(jī)理論切割粒徑計(jì)算的研究[J].有色礦冶，2006，22（s1）：138-140.

[7] 陸厚裉.離心逆流式氣流分級機(jī)分級粒徑的計(jì)算與分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，20（3）：263-269.

[8] 張佑林，王暄，黎國華.等.O-Sepa分級機(jī)分級粒徑的計(jì)算與分析[J].新世紀(jì)水泥導(dǎo)報(bào)，1998，4（2）：29-31.

[9] 李剛.渦流空氣分級機(jī)獲得窄級別細(xì)粉體的兩段分級工藝研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2004..

[10] 張宇，劉家樣.渦流空氣分級機(jī)“魚鉤效應(yīng)’的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，31（3）：51-54.

[11] Nageswararao K.A critical analysis of the fish hook effect in hydrocyclone classifier[J].Chemical Engineering Journal，2000，80：251-256.

[12] 藺雷亭，王振國.碳化硼超細(xì)微粉團(tuán)聚及解決方法[J].中國粉體技術(shù)，2007（l）：46-47.

[13] 馮永國，劉家祥，劉圣照.喂料方式對渦流空氣分級機(jī)分級性能的影響[J].金屬礦山，2008（1）：93-96.