單顆粒橡膠球撞擊破碎的實驗研究

許曉飛 王文強 王曉娟 劉鳳霞 魏 煒 劉志軍

(大連理工大學流體與粉體工程研究設計所)

單顆粒橡膠球撞擊破碎的實驗研究

許曉飛 王文強 王曉娟 劉鳳霞 魏 煒 劉志軍

(大連理工大學流體與粉體工程研究設計所)

對天然橡膠球進行單顆粒、低溫撞擊破碎實驗，通過分析破碎產物的粒度分布，考察顆粒的撞擊速度、破碎溫度、板靶撞擊角度和橡膠球初始粒徑對破碎過程的影響規律。結果表明：顆粒撞擊速度和破碎溫度對天然橡膠球破碎產物粒度分布的影響最大；撞擊角度在0～45°之間變化時，撞擊角度對破碎產物的粒徑分布影響不顯著；顆粒的初始粒徑越小，破碎產物中細顆粒所占的百分比越大。

橡膠球 低溫撞擊 破碎 粒徑分布

顆粒在氣力輸送系統中的破碎程度取決于顆粒的材料、顆粒之間的相互作用、顆粒與管道的相互作用和顆粒在系統中的運動情況。然而在使用一般工廠管道的情況下，很難分離出這些變量獲得有意義的結果去解決顆粒破碎的問題[1]。單顆粒撞擊破碎實驗可以通過分別單獨考慮各因素的影響來克服以上問題，可以掌握顆粒在高速氣流中的加速規律和破碎規律[2]。Salman A D等研究了可以預測顆粒運動軌跡的數學模型[3]。結合單顆粒撞擊破碎研究和相關數學模型，可以更加深入地了解和預測顆粒在氣力輸送系統中的破碎過程。在研究破碎機理的相關文獻中單顆粒撞擊破碎的問題也得到了廣泛的關注[4～6]。在大多數情況下，實驗都是采用壓縮空氣加速單個顆粒撞擊固體板靶，實現撞擊破碎[7，8]。還有一些研究將顆粒的破碎概率與顆粒撞擊速度關聯起來[9]。目前學者們主要針對礦石、陶瓷等無機脆性材料進行了大量單顆粒破碎實驗研究[10～12]，但對橡膠等高聚物的撞擊破碎實驗研究尚少。

對橡膠等高聚物破碎的實驗研究，不僅是為了考察它在氣力輸運系統中的破碎程度，更重要的是通過掌握橡膠破碎細化過程中各操作參數對破碎過程的影響規律，實現橡膠廢棄物的高效回收[13]。筆者主要是對天然橡膠球進行單顆粒低溫撞擊破碎實驗，考察撞擊速度、破碎溫度、撞擊角度和橡膠球初始粒徑對破碎產物粒度分布的影響規律。通過橡膠球單顆粒低溫撞擊破碎的實驗研究，可以更加深入地理解橡膠顆粒在氣力輸送和低溫粉碎回收過程中的破碎規律，對降低輸運損耗、優化回收過程從而實現節能具有借鑒意義。

1 實驗方案

1.1 實驗裝置

筆者建立了一套天然橡膠顆粒球低溫沖擊破碎實驗系統(圖1)。實驗系統主要利用低溫高壓的氣流在加速管中加速膨脹的原理，獲得超音速的低溫氣流，帶動橡膠顆粒球以高速度撞擊板靶，實現橡膠球低溫撞擊破碎。如圖1所示，壓縮空氣經拉瓦爾噴嘴膨脹加速成超音速氣流，產生引射作用將進料裝置中的橡膠球吸至加速管中；同時，在加速管中通入液氮，通過控制液氮的注入流量調節加速管中的氣流溫度。高速低溫的氣流帶動橡膠球在加速管中加速運動，最終以很高的速度撞向板靶，實現撞擊破碎。采用高速攝影拍攝橡膠球與板靶的碰撞過程，經數字圖像處理獲得橡膠球的撞擊速度。破碎后的物料通過篩分法、稱量法及顯微鏡法等方法進行粒度測定。

圖1 撞擊破碎實驗裝置示意圖

為了獲得不同的撞擊速度，選用3種不同長度的不銹鋼加速管(φ14mm×2mm)，長度分別為600、1 000、1 400mm。在短管中，橡膠顆粒在加速管中加速時間短，所以撞擊速度相對較小；而在長管中，顆粒加速時間長，可以獲得相對較大的撞擊速度。板靶是3mm厚的不銹鋼板，通過調節板靶的位置可以控制橡膠球與板靶的撞擊角度。收集料斗選用30mm×30mm×50mm的有機玻璃容器，不僅有助于利用高速攝影拍攝撞擊過程，還可以有效收集破碎的橡膠顆粒。

1.2 實驗方法

筆者主要討論撞擊速度u、破碎溫度T、顆粒的初始粒徑d0和板靶撞擊角度α這4個因素對橡膠球破碎過程的影響。實驗選用的橡膠顆粒為無錫速必頂密封有限公司生產的天然橡膠球，直徑分別為3、5、7mm，其玻璃化轉變溫度為-61℃。實驗選擇撞擊速度控制在30～100m/s間，具體設定30～50m/s、50～70m/s和大于70m/s這3個范圍。破碎溫度控制在-60～-130℃內，具體設定為-60～-90℃、-90～-120℃和低于-120℃這3個范圍，撞擊角度α選為0、30、45、60°。表1列出了具體的實驗參數。每組實驗低溫破碎10個橡膠球，然后收集破碎產物進行粒徑分析。

表1 實驗參數

2 實驗結果與討論

2.1 撞擊速度對破碎產物粒度分布的影響

圖2給出了不同的撞擊速度下破碎產物的粒度分布情況。由實驗E002、E003、E006、E007和E011可知，這5組實驗的破碎溫度均在-100℃左右，顆粒的初始粒徑為5mm，撞擊速度的變化范圍在30～100m/s之間。從圖2可以看出，隨著撞擊速度的增加，小顆粒所占的百分比越來越大，橡膠球的破碎效果越好。圖3表示E002、E003、E006、E007和E011共5組實驗給定特征粒徑(df分別取0.4d0、0.6d0)的負累積產率與撞擊速度之間的關系曲線。由圖3可知，在溫度不變的條件下，撞擊速度越大，破碎產物給定的特征粒徑的負累積產率越大；換言之，撞擊速度越大，破碎產物中小顆粒所占的比例也越大。在撞擊速度范圍為30～70m/s時，特征粒度對應的負累積產率變化幅度較大，在70m/s以后，速度變化對特征粒徑對應的負累積產率影響變小。所以，撞擊速度對橡膠球破碎產物粒度影響較大；速度越大，細顆粒越多。但是，破碎溫度如果高于橡膠的玻璃化轉變溫度，即使撞擊速度再大顆粒也很難破碎。

圖2 不同撞擊速度下破碎產物的粒度分布

圖3 撞擊速度與負累積產率關系曲線

2.2 破碎溫度對破碎產物粒度分布的影響

圖4表示不同的破碎溫度下破碎產物的粒度分布。由實驗E005、E006、E007、E008和E009可知，橡膠顆粒的初始粒徑為5mm，撞擊速度控制在65m/s左右，橡膠球與板靶的撞擊角度為0°，溫度在-60～-120℃變化。從圖4可以看出，破碎溫度對橡膠顆粒破碎產物的粒度分布影響非常大。溫度越低越有利于破碎，破碎產物細顆粒所占的比例也就越大。圖5給出了E005、E006、E007、E008和E009共5組實驗特征粒徑(df分別取0.4d0、0.6d0)的負累積產率與撞擊速度之間的關系曲線。由圖5可知，在撞擊速度和初始粒徑不變的情況下，破碎溫度越低，破碎產物給定的特征粒徑的負累積產率越大，破碎產物中小顆粒所占的比例越大。在破碎溫度范圍為-60～-100℃時，特征粒度對應的負累積產率變化幅度較大；在-100℃以后，溫度變化對特征粒徑對應的負累積產率影響減小。在實際生產中，應將破碎溫度控制在橡膠的玻璃化轉變溫度以下進行破碎；而破碎溫度低于-100℃，繼續降低溫度對破碎效果影響不顯著。

圖4 不同破碎溫度下破碎產物粒度分布

圖5 破碎溫度與負累積產率的關系曲線

2.3 撞擊角度對破碎產物粒度分布的影響

圖6表示不同的撞擊角度下破碎產物的粒度分布。由實驗E005、E013、E014和E015可知，橡膠顆粒的初始粒徑為5mm，撞擊速度控制在65m/s左右，溫度在-120℃左右，與不銹鋼板靶的撞擊角度分別為0、30、45、60°。圖7表示E005、E013、E014和E015共4組實驗給定特征粒徑(df分別取0.4d0、0.6d0)的負累積產率與撞擊角度之間的關系曲線。由圖7可知，在撞擊速度、初始粒徑和破碎溫度一定時，撞擊角度越大，破碎產物給定特征粒徑的負累積產率越大。撞擊角度在0～45°之間變化時，撞擊角度對破碎產物的粒徑分布影響不突出，給定特征粒徑的負累積產率基本不變；當撞擊角度大于45°時，繼續增大橡膠球與板靶的撞擊角度，會影響橡膠球的破碎效果，給定特征粒徑的負累積產率增幅較大。

圖6 不同撞擊角度下破碎產物粒度分布

圖7 撞擊角度與負累積產率的關系曲線

2.4 顆粒初始粒徑對破碎產物粒度分布的影響

圖8表示不同顆粒初始粒徑下破碎產物的粒徑分布。由實驗E016、E001和E018可知，撞擊速度控制在100m/s左右，破碎溫度在-120℃左右，與不銹鋼板靶的撞擊角度為0°，撞擊顆粒的初始粒徑分別為3、5、7mm。由圖8可知，在撞擊速度、撞擊角度和破碎溫度一定的情況下，顆粒的初始粒徑越小，破碎產物中細顆粒所占的百分比越大，顆粒破碎得越細；對于大顆粒，如果撞擊速度足夠大，也可以達到同樣的細度。

圖8 不同顆粒初始粒徑下破碎產物粒度分布

3 結論

3.1 撞擊速度越大，所得到的破碎產物細顆粒所占比例越大。撞擊速度達到70m/s以后，撞擊速度的繼續增大對破碎產物影響變小。

3.2 溫度越低越有利于破碎，破碎產物細顆粒所占的比例越大。破碎溫度低于-100℃時，繼續降低溫度對破碎產物粒度分布的影響不顯著。

3.3 顆粒與板靶的撞擊角度在0～45°之間變化時，撞擊角度對破碎產物的粒徑分布影響不突出。

3.4 撞擊速度、撞擊角度和破碎溫度一定時，橡膠球的初始粒徑越小，破碎形成的顆粒越細。

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ExperimentalStudyofImpactFragmentationofSingleParticleRubberBall

XU Xiao-fei, WANG Wen-qiang, WANG Xiao-juan, LIU Feng-xia, WEI Wei, LIU Zhi-jun
(R&DInstituteofFluidandPowderEngineering,DalianUniversityofTechnology)

The pulverization of single particle natural rubber ball was studied based on the cryogenic impact experiments. Through investigation of the size distribution of the crushed product, the influence of impact speed, grinding temperature, initial particle size and impact angle on the particle fragmentation were studied. It is found that the particle’s impact speed and grinding temperature influence the size distribution of crushed natural rubber ball most; when the impact angle ranges from 0° to 45°, the impact angle influences the size distribution non-significantly; The percentage of small size particles in the crushed product increases with the decrease of the initial particle size.

rubber ball, cryogenic impact, pulverization, size distribution

中央高校基本科研業務費專項資金項目(DUT12ZD207)。

許曉飛(1981-)，講師，從事多相流技術和設備的研究。

聯系人劉志軍(1969-)，教授，從事粉體流強化傳熱及節能技術與裝備的研究，liuzj@dlut.edu.cn。

TQ332.5

A

0254-6094(2017)03-0261-06

2016-08-01，

2016-12-14)

(Continued from Page 244)

(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.)

AbstractThe application of different drying methods in coal-drying industry was described, including their effects in power plant, metallurgical industry and coal chemical industry. The future development of coal-drying technologies and any potential problem they have to be faced with were proposed so as to promote the efficient use of coals.

Keywordscoal-drying technology, coal moisture control, lignite drying, pulverized coal gasification, lignite pyrolysis