陶瓷干法造粒過程溫度場對造粒效果的研究

吳南星，成　飛，余冬玲，廖達海，方長福

(景德鎮陶瓷學院機械電子工程學院,景德鎮　333403)

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陶瓷干法造粒過程溫度場對造粒效果的研究

吳南星，成飛，余冬玲，廖達海，方長福

(景德鎮陶瓷學院機械電子工程學院,景德鎮333403)

針對陶瓷干法造粒機造粒過程溫度場對造粒效果的影響，結合實驗與數值模擬對比分析造粒過程溫度場對造粒效果的影響。基于CFD方法建立模擬造粒過程溫度場的數學模型，模擬造粒過程中溫度場隨時間變化情況，并實驗測得造粒室溫度值、造粒成品率隨時間變化情況。仿真結果與實驗數據對比表明：當造粒時間為7 min時，仿真結果顯示造粒室內的溫度值都低于80 ℃，實驗測得顆粒成品率占整體顆粒質量的56%；當造粒時間為9 min時，仿真結果顯示造粒室內溫度值高于80 ℃的區域占造粒體積3%，實驗測得顆粒成品率占整體顆粒質量的72%；當造粒時間為11 min時，仿真結果顯示造粒室內溫度值高于80 ℃的區域占造粒體積21%，實驗測得顆粒成品率占整體顆粒質量的61%。仿真結果與實驗數據對比分析說明：當造粒室內溫度值高于80 ℃時，將在一定程度上降低造粒的成品率。

陶瓷干法造粒機； 造粒效果； CFD方法； 實驗分析； 溫度場

1　引　言

陶瓷行業是一個高能耗、高污染的行業，其建筑陶瓷墻地磚的生產能耗占生產成本的30%～40%[1,2]，且陶瓷墻地磚的能耗、污染主要集中在原料制備車間和坯體燒結車間。目前，陶瓷墻地磚原料的制備主要采取粘土、礦石及添加劑經球磨機制成料漿，然后再由噴霧干燥塔噴霧干燥造粒制得[3-5]。然而，該工藝存在一次性投資大、能耗高的不足，在如今能源價格上漲及墻地磚市場競爭中顯得愈加突出[6-8]。

而陶瓷干法造粒制粉技術可用來取代現有的球磨-噴霧濕法造粒制粉技術，從而根本上解決陶瓷墻地磚粉料制備車間的高能耗、高污染的問題。實驗表明陶瓷干法造粒制粉比傳統的濕法造粒制粉，可綜合節能30%以上，節水50%左右，且減少廢氣、二氧化硫、煙塵等有害物質對環境的污染，可徹底解決濕法造粒制粉的污染問題，同時降低生產成本[9,10]。但是陶瓷干法造粒技術要在陶瓷行業形成產業化，還需要解決的技術性難題較多。制約陶瓷干法造粒制粉技術實現產業化的因素主要是真顆粒的充分分散性問題、假顆粒成形壓縮比問題以及粉體的混色、發色問題，這些問題導致制備的顆粒流動性、強度、堆積密度等物理性能達不到產業要求[11-13]。筆者研究發現，陶瓷干法造粒過程溫度場對造粒效果有一定的影響，因此，本文以陶瓷原料粉體為試驗物料，通過構建陶瓷干法造粒機造粒過程的數學模型，模擬研究陶瓷干法造粒機造粒過程溫度場的變化情況，同時結合實驗數據分析溫度場對造粒效果的影響。其研究成果對陶瓷干法造粒機在陶瓷行業的進一步推廣具有一定的指導意義。

2　干法造粒試驗裝置及模擬區域

圖1為陶瓷干法造粒試驗所采用的干法造粒裝置結構示意圖。干法造粒裝置通過噴嘴加入霧化液滴(粘結劑、添加劑等)，在攪拌葉片、鉸刀旋轉工作的作用下，實現陶瓷粉料的團聚現象，從而將陶瓷原料粉體滾制成球形狀用于陶瓷墻地磚壓制成形。由于霧化液滴所占造粒室體積≤4%，相對于陶瓷粉料可以忽略不計。因此，本文的模擬對象為造粒室內氣固兩相流及干法造粒過程。

圖1　干法造粒試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of dry granulation test device

圖2　造粒室模擬區域示意圖Fig.2　Schematic diagram of the simulation area for the granulation chamber

造粒室在造粒過程中呈30°傾斜角放置，整體形狀近似為圓柱體形，陶瓷粉體在造粒室內通過攪拌葉片、鉸刀以順時針旋轉攪拌，同時造粒室自身以逆時針旋轉實現陶瓷粉體的造粒成形，因此試驗的模擬區域為干法造粒室的整體內部區域。圖2為造粒室模擬區域示意圖，造粒室內徑為235 mm、高為280 mm，初始加入陶瓷原料粉體質量為5 kg，約占造粒室體積的1/4(高度約為70 mm)。

陶瓷原料粉體的粒徑分布范圍為0.009～0.017 mm，平均粒徑為0.013 mm，通過添加霧化液滴，經旋轉攪拌葉片、鉸刀的作用下，將陶瓷原料粉體團聚成粒徑范圍為0.2～0.8 mm符合陶瓷墻地磚壓制成形的球形狀顆粒。攪拌主軸以1400 r/min順時針旋轉，造粒室以84 r/min逆時針旋轉工作，整個造粒過程處于密閉空間進行，陶瓷原料粉體、鉸刀、攪拌軸葉片和造粒室內壁初始溫度均為20 ℃。陶瓷干法造粒試驗在常壓下進行，在不同造粒時間點采用紅外線測溫儀隨機測量鉸刀、攪拌軸葉片和造粒室內壁溫度，同時測定樣品溫度和含水率。

3　模型建立

3.1數學模型

因為陶瓷原料粉體的粒徑約為0.013 mm，即陶瓷原料粉體可作擬流體相處理，忽略霧化水滴的作用，造粒室只有氣體與粉體，而粉體所占造粒室體積約為25%，因此采用雙流體模型中的歐拉-歐拉模型(Eulerian-Eulerian model)來模擬干法造粒過程[14,15]。而該模型在模擬過程中，空氣相與粉體相彼此共存且相互滲透，各自擁有各自的速度、體積分布，且氣體相和粉體相均分別采用各自的質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程求解[16,17]，具體數學模型如下：

(1)質量守恒方程

氣體相連續性方程：

(1)

顆粒相連續性方程：

(2)

(2)動量守恒方程

氣體相動量方程：

(3)

(4)

顆粒相動量方程：

(5)

(6)

(3)能量守恒方程

氣體相能量守恒方程：

(7)

顆粒相能量守恒方程：

(8)

式中：Tg、Ts為氣體相、顆粒相的擬溫度；KTg、KTs為氣體相、顆粒相的擴散系數；γ為能量的碰撞耗散系數；Egs、Esg為相之間的能量交換(Egs=-Esg)。

3.2物理模型

3.2.1邊界條件

圖3　造粒過程物理模型Fig.3　Physical model of granulation process

由于攪拌主軸的旋轉速度很大，因此陶瓷原料粉體在攪拌葉片、鉸刀臨近區域受攪拌的作用影響大，故將該臨近區域設置成動區域，造粒室其它區域設置成靜區域，動區域與靜區域之間通過交界面連接，整個造粒室模擬區域處于密閉狀態，即其它壁面都設定成墻具體設置如圖3造粒過程物理模型所示。

高速旋轉的攪拌葉片、鉸刀與粉體之間的劇烈碰撞，將很大一部分動能轉變成內能，從而釋放出大量的熱量，使得造粒室內部溫度迅速升高。由于摩擦生熱機理研究相對復雜，故通過假定攪拌葉片、鉸刀為熱源，進行造粒過程溫度場模擬分析。筆者在造粒過程中，采用紅外線測溫儀對攪拌葉片、鉸刀隨機測得溫度，并對測得數據進行整合獲得攪拌葉片、鉸刀溫度平均值如表1所示。

表1　攪拌葉片、鉸刀溫度測量平均值

對表1攪拌葉片、鉸刀溫度測得平均值進行數據非線性擬合，擬合效果曲線圖如圖4所示，從而可以獲取攪拌葉片、鉸刀溫度值隨造粒時間的變化函數式：

T=-0.2306t2+10479t+20(t[0,15])

圖4　溫度值擬合效果圖Fig.4　Fitting effect diagram temperature value

將攪拌葉片、鉸刀壁面假設成熱源，根據函數式采用UDF自定義攪拌葉片、鉸刀溫度隨造粒時間變化情況，模擬造粒過程溫度場隨造粒時間變化關系。

3.2.2數值求解

利用ANSYS fluent14.0基于有限體積法對守恒方程組進行數值計算，在數值求解過程中采用PC-SIMPLE 算法對歐拉-歐拉模型進行迭代求解。對于輔助模型如氣體相和粉體相之間伴有的熱傳遞過程模型、曳力模型和氣固兩相物性參數模型，通過UDF自定義函數嵌入到求解器中求解。

4　結果與討論

4.1模擬結果局部云圖分析

從模擬結果局部剖視云圖5分析可知：當造粒時間為7 min時，造粒室內在粉體相所占有的區域溫度值分布較均勻，基本上分布在40～70 ℃之間，最大溫度值為80 ℃；當造粒時間為9 min時，造粒室內在粉體相所占有的區域溫度值有所增大，少部分區域出現溫度明顯增大的現象，基本上分布在40～80 ℃之間，最大溫度值為90 ℃；當造粒時間為11 min時，造粒室內在粉體相所占有的區域溫度值有明顯的增大，造粒室底端出現大區域的溫度升高現象，溫度值基本上分布在40～90 ℃之間，最大溫度值為110 ℃。

圖5　造粒室溫度場局部云圖分布Fig.5　Local cloud distribution of temperature field in the granulation chamber

4.2模擬結果整體柱狀圖分析

從模擬結果整體柱狀圖6分析可知：當造粒時間為7 min時，造粒室內溫度值基本分布在20～70 ℃，其中50～60 ℃區間所占造粒體積為27%，為最大占有區域，且最大溫度值為80 ℃；當造粒時間為9 min時，造粒室內溫度值基本分布在20～80 ℃，其中60～70 ℃區間所占造粒體積為23%，為最大占有區域，且最大溫度值為90 ℃；當造粒時間為11 min時，造粒室內溫度值基本分布在20～90 ℃，其中70～80 ℃區間所占造粒體積為19%，為最大占有區域，且最大溫度值為110 ℃。

圖6　造粒室溫度場柱狀圖分布Fig.6　Histogram distribution of temperature field in granulating chamber

5　實驗結果與數值模擬對比分析

結合實驗數據與數值模擬對比圖7分析可知：當造粒時間為7 min時，實驗測得造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積1%，數值仿真結果顯示造粒室內的溫度值都低于80 ℃；當造粒時間為9 min時，實驗測得造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積5%，數值仿真結果顯示造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積3%；當造粒時間為11 min時，實驗測得造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積17%，數值仿真結果顯示造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積21%。綜合分析可知：數值模擬結果與實驗數據基本吻合，驗證了模型的可靠性。

結合實驗數據與數值模擬對比圖8分析可知：當造粒時間為7 min時，實驗測得顆粒成品率占整體粉體體積的56%，數值仿真結果顯示造粒室內的溫度值都低于80 ℃；當造粒時間為9 min時，實驗測得顆粒成品率占整體粉體體積的72%，數值仿真結果顯示造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積3%；當造粒時間為11 min時，實驗測得顆粒成品率占整體粉體體積的61%，數值仿真結果顯示造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積21%。綜合分析可知：當造粒室溫度≥80 ℃時，將在一定程度上影響造粒效果。

圖7　實驗數據與數值模擬對比圖Fig.7　Comparison between experimental data and numerical simulation

圖8　實驗數據與數值模擬對比圖Fig.8　Comparison between experimental data and numerical simulation

6　結　論

(1)采用歐拉-歐拉模型建立模擬造粒過程溫度場數學模型并求解分析造粒內溫度場隨時間的變化情況，模擬結果表明：造粒時間為7 min、9 min、11 min時，造粒室內溫度值≥80 ℃的區域占造粒體積分別為0%、3%、21%。模擬結果說明造粒時間接近9 min時，造粒室內溫度場開始出現溫度過大現象；

(2)實驗數據測量表明：當造粒時間為7 min、9 min、11 min時，造粒室內顆粒成品率分別為56%、72%、61%。實驗結果表明造粒過程溫度升高在一定程度上影響造粒效果；

(3)數值模擬與實驗數據充分說明，造粒時間必須控制在9 min左右，此時造粒的成品率最高。其研究結果對陶瓷干法造粒機在陶瓷行業進一步完善具有一定的幫助意義。

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Effect of Granulation by Temperature Field of the Ceramic Dry Granulating Process

WUNan-xing,CHENGFei,YUDong-ling,LIAODa-hai,FANGChang-fu

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333403,China)

In view of the temperature field influence on the ceramic dry granulation process, the effect was analyzed by comparison with the experimental and numerical simulation. The temperature field mathematical model was established by CFD method, which simulated the granulation chamber temperature over time, and the experiment measured the granulation yield over time. The simulation results and experimental data contrastively showed, when the granulation time was seven minute, the granulation chamber temperature was below 80 ℃, grain yield accounted for 56% of overall particles quality, when the granulation time was eight minute, the granulation chamber temperature was higher 80 ℃ that the area was accounted for 3% granulation chamber volume, grain yield accounted for 72% of overall particles quality, when the granulation time was nine minute, the granulation chamber temperature was higher 80 ℃ that the area was accounted for 21% granulation chamber volume, grain yield accounted for 61% of overall particles quality. Comparative analysis of simulation results and experimental data, When the indoor temperature granulation is higher than 80 ℃, it will reduce the granulation of finished products in a certain extent.

ceramic dry granulating machine;granulation effect;CFD method;experimental analysis;temperature field

國家自然科學基金資助(51365018)；江西省高等學校科技落地計劃資助(KJLD14074)；江西省科技支撐計劃資助(20151BBE50041)

吳南星(1968-)，男，博士研究生，教授.主要從事陶瓷機械設備應用方面的研究.

TQ174

A

1001-1625(2016)03-0837-06