擋塊對粉體分級機性能的影響研究

胡壽高，楊越，李浙昆

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院）

0 引言

隨著粉體分選技術要求的精益求精，粉體工業工藝技術不斷改進，降低不良品率、提高分離效率和增加產品附加值是目前粉體行業追求的目標。氣流分級作為粉體分級的重要手段，憑借其操作簡單、分級效果好、無需干燥等特點在粉體分級方面有著廣泛的應用[1]。

目前氣流分級機主要存在兩方面問題：一是，經分級機分選后的細粉成品中總會含有一定量的粗粉顆粒，若成品中的粗粉顆粒占比多，會導致產品質量不合格，達不到客戶生產要求，不能滿足后續產品深加工需要，并且會致使產品附加值降低；二是，分級過程中，由于靜電等作用使較細的粉體產生團聚現象，被分級機當成粗粉分離出來，這樣會降低分級效率并且造成浪費。氣流分級機對分級機動力要求高、能耗大，因此有必要對分級機進行優化，以提高分級效率、降低成本。分級機的內部結構是影響分級效率及精度的主要因素，影響氣流分布以及粉體的運動軌跡，因此對分級機的優化主要集中于分級腔的內部結構優化。本文將針對以上兩方面問題提出一種分級腔內部結構改進方案，并利用Fluent 進行數值模擬仿真。

1 問題的提出

1.1 分級機理

圖1 為氣流分級機的工作原理示意圖。分級機主要由進料口、錐形落料口、分級腔體、細料出料口以及安裝在主軸上的轉籠構成，主軸由電機帶動，細料出料口處連接有負壓發生器。

圖1 氣流分級機的工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of air classifier

分級機的工作原理為：待分級的粉體物料由下端的進料口進入分級機內部，由負壓發生器產生的向上氣流將粉體輸送到轉籠周圍的分級區。電機帶動轉籠轉動使分級區產生旋轉流場，粉體繞著轉籠做回轉運動，此時的粉體受到由負壓產生的向內的氣流曳力和運動產生的向外的離心力。粒徑較大的粉體顆粒，由于受到向內的氣流曳力小于向外的離心力，于是會運動到分級腔的內壁上，在重力的作用下落入錐形落料口；粒徑較小的粉體顆粒，由于受到的氣流曳力大于離心力，便會穿過轉籠葉片從上方細料出口分離出。通過調節葉輪轉速及負壓強度可以調節分級粒徑[2-3]。

1.2 魚鉤效應

對氣流分級機的評價指標中有部分分級效率，即將原料粉體的粒徑分為若干區間，測定下端落料口收集的粉體粒徑，確定不同粒徑區間的回收效率。假設粒徑在區間[d，d+Δd]內的原物料質量為ma，回收的質量為mb，則此粒徑的部分分級效率為η=mb/ma（%）。通過測定，得到圖2 所示曲線，可直觀了解不同粒徑粉體顆粒的回收率，曲線的斜率越高，說明分級機的分級精度越高。

圖2 魚鉤效應示意圖Fig.2 Schematic diagram of fish-hook effect

理想狀態下曲線從右到左呈平滑下降趨勢，但實際情況會出現先下降然后在左端出現小幅回升，曲線呈魚鉤狀，這就是“魚鉤效應”。較小粒徑顆粒回收率的增多，代表較多的小粒徑粉體顆粒未能成功地從細料出口被分離出來，這對分級機的分級精度影響頗大[4]。

分析產生魚鉤效應的原因，小粒徑粉體顆粒的團聚是最主要因素。團聚現象是由于在氣流分級過程中，隨著顆粒粒徑的減小，范德華引力與自重之比急劇增大，就容易產生一個小顆粒粘附在大顆粒上或幾個小顆粒團聚成一個大顆粒的現象[5]，團聚后的小粒徑顆粒，若在分級機腔內未被成功打散，便會隨著大粒徑顆粒一同沿著內壁落入落料口。

2 擋塊的設計

研究如何減小魚鉤效應是具有長遠意義的課題，諸多學者對分體分級機的研究都意在減小魚鉤效應[6]。針對團聚顆粒的打散以及大粒徑顆粒的沉降，本文考慮使用在分級腔內壁設計擋塊的方法實現，其原理為：粉體顆粒在分級腔內運動時，大粒徑顆粒和團聚后的小顆粒都被離心力帶向內壁做回轉運動，當這些顆粒與擋塊發生碰撞時，團聚顆粒被打散，大顆粒減速沉降，從而提高分級精度、減小魚鉤效應。

圖3 為MS 型粉體分級機的三維模型及內流場模型，模型高3 351 mm，分級腔的內徑890 mm，轉籠直徑451 mm。此時的模型為分級機初始模型，其分級腔的內壁為光滑狀態，粉體顆粒在接近壁面處運動時將不會和內部結構發生碰撞，團聚的粉體顆粒僅在顆粒間相互碰撞時被打散，而這種碰撞產生的效果是十分微小的。

圖3 MS 型粉體分級機三維模型及內流場模型Fig.3 Three-dimensional model and internal flow field model of MS powder classifier

在分級腔的內壁上每間隔90°均勻安裝4 個擋塊，用以增加粉體顆粒在接近壁面處的碰撞。設計3 種截面形狀的擋塊：半圓形、矩形、三角形，研究不同形狀擋塊的作用效果，得到最優截面形狀。3 種擋塊的三維模型及其分布如圖4 所示，擋塊的長度與分級腔的長度相同，為780 mm，突出高度為14 mm。

圖4 3 種擋塊的三維模型及其分布Fig.4 Three-dimensional model and distribution of three blocks

3 CFD 流場分析與對比

3.1 軟件介紹

采用實測手段難以對復雜的內部流場進行分析，利用數值模擬的方法對分級機進行流場分析是目前的主流方法，本研究中用于流體仿真的軟件為ANSYS Workbench 中的Fluent 模塊。Fluent 是目前國際上比較流行的計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件，擁有豐富的集成物理模型和流體問題數值方法，對于流體力學的運動模擬，使用離散數值分析模擬流體動力學模型，采用不同的計算方法和離散形式，解決不同模型下的流動問題[7]。

3.2 原始模型的流場仿真

在對分級機進行結構改進之前，對原分級機腔的內流場流動情況進行仿真，通過仿真圖可以看出流域內各個位置處的流場流動情況。仿真前對流場模型進行網格劃分。在ANSYS Workbench 中，對于網格計算的求解劃分方法有多種，本文主要用tetrahedron 四面體劃分法對流場區域進行劃分，網格數量為1 271 169 個。

原分級機腔內仿真條件設置為：（1）對流場區域劃分為2 部分，轉籠部分為轉動域；（2）將2 個流域接觸面設置為相匹配，出口壓強條件設置為2 kPa，腔內轉籠的轉速為400 r/min，迭代次數為3 000。經過計算，得到的流場速度矢量圖如圖5 所示。可以看到，流場中最大速度為16.2 m/s，流場分布穩定且流暢，經后處理測量，分級腔壁面的氣流速度在2.02～2.43 m/s 范圍變化。

圖5 原始模型速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram of original model

3.3 擋塊模型的流場仿真

對原始分級機的模型進行處理，設計3 個模型，分別添加截面形狀為半圓形、矩形、三角形的擋塊、分別對添加3 種類型擋塊的分級機進行內部流場抽取。Fluent 的前處理與原始模型相同，首先劃分出轉動域，再用tetrahedron 四面體方法進行網格劃分。同樣，設置好邊界條件及轉動參數，進行3 000 次迭代。計算得到的流場速度矢量圖如圖6。從矢量圖可見，添加擋塊之后分級腔邊緣處的流場發生了變化，最大速度及速度分布情況與原始模型相差不大。

圖6 3 種擋塊模型速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of three block models

3.4 結果對比分析

（1）分級機內壁流場情況對比

仿真計算完成后，在后處理模塊中可分別得到4 種模型在分級機壁面處的流場速度矢量圖，如圖7 所示。對比發現，沒有安裝擋塊的模型近壁面流場均勻，在中部有緩慢沉降的氣流；安裝了擋塊的模型在近壁面能看到明顯的速度聚集，氣流到達擋塊處時，可以看到明顯的氣流沉降。經后處理測量，加裝擋塊后，分級腔壁面的氣流速度在擋塊附近降至0.4～1.2 m/s，相比原始模型氣流速度明顯降低，且氣流沉降的速度快、距離長，有利于大粒徑顆粒的沉降和團聚顆粒的打散。

圖7 4 種模型壁面速度矢量圖對比Fig.7 Comparison of velocity vector graphs of four models

這說明安裝在腔體內部近壁面的擋塊可以改變靠近分離腔壁面的流場，改變原分級機結構近壁面上下流場速度較為穩定的情況。通過這種方法適當調節近壁面流場分布情況，可以增加顆粒的碰撞幾率，大粒徑顆粒經過碰撞后切向速度減小便會加速沉降，而團聚顆粒經過碰撞后被打散，變為細顆粒后繼續通過回轉運動完成分級，減小了粗顆粒被細粉出口收集及細顆粒被沉降的概率，提高了粉體分級機的分級效率與精度。

（2）轉籠處水平截面流場對比

在模型的高1 200 mm 處添加一個水平面，此處正是轉籠區域的高度，可以顯示轉籠區域速度矢量。不同截面形狀擋塊模型在轉籠處（1 200 mm）的水平速度矢量如圖8 所示。從原始模型的仿真結果來看，不論是中心處還是近壁處整體流場都穩定均勻，由外向內氣流速度不斷增大，越靠近轉籠處速度方向越向中心傾斜。分級腔中靠近轉籠的部分是分級過程的主要發生區域，分級機的分級過程大部分在此區域內完成。由添加了擋塊的模型仿真結果可見，氣流在流經擋塊時，會在擋塊后方形成一定程度的旋渦，旋渦剖面形狀為長條狀或倒錐狀，這些漩渦會使顆粒在流經擋塊時在局部劇烈運動，有利于吹散、混合顆粒，增加顆粒的碰撞幾率。

然而擋塊的安置不應對分級過程發生區域流場產生過大的影響，否則會影響分級效果。觀察半圓形、矩形、三角形截面擋塊模型的仿真結果發現，半圓形擋塊由于表面的流線結構，氣流經過時會十分流暢。從圖8 可以看出，氣流經過擋塊時產生的擾動范圍小，轉籠附近區域的流場依然均勻，基本沒有受到影響；矩形擋塊和三角擋塊由于表面結構和氣流產生了正面沖撞，引起的氣流擾動波及范圍比半圓擋塊的大，其中矩形擋塊引起的擾動最大，三角形擋塊次之。綜合對比，半圓形截面為擋塊的最優結構。

圖8 轉籠處流場對比Fig.8 Comparison of flow field at the cage

（3）腔內壓力對比

選擇最優的半圓擋塊結構模型與原始模型對比，利用豎直截面與1 200 mm 處水平截面的壓力分布云圖分析擋塊的安裝對分級腔內壓力分布的影響，得到二者的壓力分布情況如圖9 所示。由圖9可以看出，無論是否含有擋塊，分級機分離腔內壓力分布情況、變化規律均無明顯變化，不存在流域內某處有壓力突變的情況，由外向內壓力均勻逐漸減小達到將細顆粒分離的目的。無擋塊時，分級機分離腔內最大壓力為2 110 Pa；添加半圓形擋塊時，分級機分離腔內最大壓力為2 130 Pa，兩者數值差異并不顯著。因此，添加擋風對腔體內的壓力分布規律并無明顯影響，并不會影響氣流對顆粒的輸送能力。

圖9 原始模型與半圓擋塊模型的腔內壓力對比Fig.9 Comparison of cavity pressure between original model and half-circle block model

4 結論

在MS 型粉體分級機的分級腔內壁設置了擋塊，一方面用以加速粗顆粒的沉降，減小分級之后細料中粗顆粒的含量，另一方面用以打散團聚的細顆粒，減少細粉的團聚沉降。對分級機的原始模型及加裝擋塊后的模型分別進行數值模擬仿真，驗證擋塊設計的可靠性，同時選擇最優擋塊結構。通過仿真結果對比分析，發現添加了擋塊后可以增加顆粒的碰撞幾率，大粒徑顆粒經碰撞后切向速度減小，加速沉降；團聚顆粒經碰撞后被打散，變為細顆粒后繼續通過回轉運動完成分級，提高了粉體分級機的分級效率與精度。在3 種不同截面形狀的擋塊中，截面為半圓形的擋塊在與氣流碰撞時對內部流場運動及壓力分布影響最小，為最優結構。