二氧化鈾燒結塊振動篩分分析與研究

摘要：針對核燃料元件的二氧化鈾陶瓷芯塊生產過程中產生的渣塊混合物難以有效篩分，篩分效果不能定量化分析的問題。通過離散元方法的數值模擬，對二氧化鈾渣塊混合篩分過程進行了模擬分析。以研究現有篩分設備中二氧化鈾渣塊混合物的運動規律。并通過分層沉降系數S、篩分效率 對模擬結果進行分析，以探討現有篩分設備參數對篩分效果的影響。最后結合模擬分析結果，對現有生產設備參數進行調整觀察其對篩分效果的影響。

關鍵詞：振動篩分；分層效應；二氧化鈾；燒結塊；離散元

中圖分類號：TB301 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.02.005

文章編號：1006-0316 （2023） 02-0032-06

Analysis of Vibration Screening of Uranium Dioxide Sintered Block Based on DEM

XIE Han，HUANG Hao

（ CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.， Ltd.， Yibin 644000， China ）

Abstract：It is difficult to observe the migration characteristics and qualitative analysis of the screening effect of the uranium doxide sintered block， off lid， broken material and other slag block mixture after it is poured into the vibrating screening equipment from the sintered molybdenum boat. The discrete element method（DEM） was used to establish a numerical model of uranium dioxide block mixture screening， and the vibration efficiency of uranium dioxide sintered product under the existing structure and vibration characteristics was quantitatively analyzed and studied. Through the data processing of the simulation results， the vibration stratification coefficient， screening efficiency and other quantitative parameter were obtained. For all the characteristics of the stratification effect of the sintered products of uranium dioxide in the vibrating screening equipment are obtained， and the characteristics of the stratification effect are analyzed and summarized.

Key words：vibrating screen；stratification effect；uranium dioxide；sintered block；discrete element

振動分層效應原理是通過振動使不同物料在空間上出現上下分層現象。研究發現物料的尺寸、形狀差異致使物料堆積時形成大小不一的空隙，在振動沖擊等載荷作用下，小尺寸物料向下運移填充較大空隙，而使大尺寸物料向上移動，最終形成了不同尺寸物料上下分層的現象，

即振動分層，也被稱為“巴西果”效應[1-3]。隨后又發現了與“巴西果”效應完全相反的“反巴西果”效應，即大尺寸物料向上運用，小尺寸物料向下運用。以及三明治分層效應等不同的分層形式（圖1）。目前工業生產中振動篩分也是常見的，用于混合物料的篩選剔除的方法[4-5]。

二氧化鈾陶瓷芯塊（圖2）制造過程中，二氧化鈾生坯燒結產生的燒結塊和碎渣塊的渣塊混合物，也通過振動篩分設備（圖3）進行篩分處理。其通過高頻直線電機施加振動于機械結構體，將燒結后的二氧化鈾碎塊從完整燒結塊中剔除，并通過振動完成對燒結塊的輸送。

目前生產實際中發現，有一定數量的燒結碎塊通過振動篩分區后進入磨床、裝盤、外觀檢查等下端生產環節。由于渣塊物料（圖4）不規則的幾何形狀，其進入磨床后導致磨床砂導輪、支片導板過快的沖擊損壞，也使得傳輸線頻繁卡頓進而導致產線設備停機維護頻次上升，致使生產成本增加。

同時磨床穩定性下降導致芯塊磨削后外觀質量降低，伴隨碎塊進入外觀檢查環節。導致人工外觀檢查耗時增加，漏判誤判率上升等問題出現。而缺陷芯塊裝入燃料組件在堆內運行，易因包殼管與缺陷芯塊的機械互作用使管壁破損等問題出現。

因此為對篩分效果進行定量化分析，并更直觀的了解和研究二氧化鈾燒結塊振動篩分過程。通過計算顆粒力學中的軟球模型，即離散元方法（Discrete Element Method，DEM）對翻轉倒料裝置篩分過程進行模擬研究。通過模擬結果對現有篩分結構的分層沉降系數、篩分效率進行計算分析，觀察燒結塊的運動規律，并對現有機械結構、工況的特性和缺陷進行了討論。最后根據模擬分析結果，調整設備工作參數，研究實際生產過程中燒結塊的篩分效果變化規律。

1 振動篩分模擬分析

1.1 模擬方法

本文基于離散單元方法[6-9]對二氧化鈾振動篩分過程進行模擬研究。模擬中燒結塊，斷料、掉蓋兩種渣塊的三維模型及離散元模型如圖5所示。其尺寸服從標準差為1 mm的正態分布。模擬中用到的材料參數[10-12]如表1所示，二氧化鈾密度為理論密度。碰撞特性如表2所示。

1.2 篩分過程分析

圖6為翻轉倒料過程中及篩分區域示意圖。可以看到，燒結塊從料舟倒入篩分區域后，部分燒結碎塊通過篩網落入篩下區域而被篩除，但也存在碎塊通過篩分區域。

圖7為物料質量及速度隨時間變化規律。從物料平均速度與時間的變化曲線能看出，隨時間的增加篩上物料的平均速度在不斷降低并最后達到一個穩定的范圍值，說明直線電機的振動傳輸速度低于物料倒入速度。因此振動傳輸速度偏低，則物料短時間大量的倒入會導致其在篩分區域堆積。其中速度出現的小范圍上下波動由振動電機振動引起。

為在模擬結果中更加準確直觀的理解振動分層效應，并定量化的計算分層的顯著程度，通過分層沉降系數[9]來表征振動分層效應。分層沉降系數S定義為篩分過程中篩上物料中特定物料的離篩面的平均高度與所有物料離篩面的平均高度的比值，計算公式為：

式中：HX為特定物料離篩面的平均高度；H為所有物料離篩面的平均高度。

可見分層沉降系數S數值大小，可以用來判定特定物料在振動篩分中的運移規律。

計算得到燒結產物的分層沉降系數，如圖8所示。可以看到燒結后的物料整體倒入篩分設備后，燒結碎塊在篩上區域的分層沉降系數S隨時間的推移持續降低，而燒結塊的分層沉降系數S持續升高。同時比較掉蓋和斷料的變化趨勢能夠發現，在進入穩定篩分的階段，掉蓋的沉降系數低于斷料。

說明目前的篩分工況和結構能夠使尺寸差異較大的三種燒結產物出現“巴西果”分層效應，即斷料、掉蓋等碎渣塊向下運移靠近篩網而被篩除。同時燒結掉蓋向篩網運移的趨勢更加明顯，說明掉蓋等尺寸偏小的碎塊更易被振動篩除。

本文研究物料的振動分層的目的是為了較直觀的了解二氧化鈾燒結塊中渣塊的篩除。因此仍需用篩分效率[8]來判定燒結塊的的篩分狀態。篩分效率的理論值等于篩除的物料質量與輸入篩分設備中尺寸小于篩網尺寸的物料質量的比值。在數值模擬中，可以便捷的統計物料的質量變化，因此篩分效率可以通過輸入、輸出、篩上、篩下等區域質量的比值計算，計算公式為：

式中： 為篩分效率；α為入篩物料中渣塊質量占入篩區域總質量比例；θ為篩下渣塊質量占篩下區域總質量比例；γ為篩上渣塊質量占篩上區域總質量比例。

通過提取入篩、出篩、篩上、篩下各個區域燒結碎塊的含量，并按式計算得到振動篩分設備的篩分效率，如圖9所示。從圖中可以看到，篩上物質量為先增加后緩慢降低的過程，而整個篩分過程的篩分效率均處于小于0.5的偏低數值范圍，并呈現先降低后增加的趨勢。篩分效率在2 s處附近出現偏低的數值的主要原因為，初期的篩分過程倒入的物料少而未出現堆積，即燒結碎塊可以不經過振動運移便可經過篩網篩除。而隨著篩上質量的增加相應的物料產生大量堆積致使燒結碎塊不能較快運移至篩面篩除，導致了篩分效率降低。至料舟物料大部分倒出，篩分進入穩定階段，篩分效率也相應提升。

可以看到，在目前的工況下（振動頻率"f＝42 Hz、振幅A＝1 mm、振動方向角θ＝0°）整個篩分過程的篩分效率偏低，不能較好的將燒結碎塊剔除，且短時間將大量的物料倒入篩分設備將進一步降低篩分效率。

2 篩分效率影響因素分析

基于目前建立的離散元模型，對振動篩分的工作參數，頻率?、振幅A、振動方向角θ，按正交表L8（27）進行考慮交互作用的正交試驗設計，如表3所示。振動分層系數作為試驗結果進行離差分析。計算離差后發現θ、A×θ兩項的離差相對較小，作用不顯著，為提高檢驗效果，把其并入誤差中，在正交試驗中誤差為總離差平方和減去各因子引起的離差平方和的差值。得離差分析表4。

結合表中數據，給定α＝10%，查F0.1（1，3）＝5.54。易見F?＞5.54，知道振動頻率的變化對燒結后的渣塊混合物的篩分效果有顯著的影響。

通過上節分析結果知道，篩上物物料量對篩分效率有一定的影響。因此對入篩物料引起的篩分效率的變化進行了進一步模擬研究。單位時間定量輸入物料，及物料中渣塊含量變化對篩分效率影響進行了模擬分析。結果如圖10。從圖中可以看，單位入篩量為定值時，振動篩分的篩分效率明顯高于二氧化鈾物料從鉬舟快速大量倒入篩網中，而隨著入篩量的增加篩分效果降低。同時從圖11中能夠看出，渣塊含量的增加也會降低篩分設備的篩分效果。

3 實際生產觀察研究

結合上述分析結果，使用生產線渣塊剔除稱量裝置對每日篩除量進行跟蹤觀察，觀察生產線振動篩分設備振動頻率及生產線日產量調整引起的渣塊篩除量變化的規律。

從圖12中可以看到，當振動篩分設備振動頻率f維持在48 Hz時，渣塊的日均篩除量明顯高于f＝42 Hz。結合模擬分析結果，可以驗證振動頻率對篩分效果有較為明顯的影響。在12 d時，渣塊累計增量出現了較大的增加。主要原因為，UO2粉末性能、旋轉壓機工況較差導致10～13 d燒結塊中碎渣塊含量上升，使得10～13 d篩除的碎渣塊量增加，而振動頻率的提高則使篩除量出現更明顯的上升。

f＝48 Hz時，產量提高后日均渣塊的篩除量出現增加；而f＝42 Hz時，產量提高后日均篩除量反而出現下降的現象。主要原因為，高的振動頻率f能使篩上物料快速的向出篩區運移，避免渣塊混合物從鉬舟中快速倒出而出現堆積，即可避免由于輸入量（kg/s）突然升高導致篩分效率快速降低。

4 結論

通過上述研究，得到了如下幾點結論：

（1）二氧化鈾燒結塊與碎渣塊之間會出現明顯的“巴西果”效應形式的上下分層現象，可通過直線振動方式將渣塊從燒結塊中剔除。

（2）振動篩分設備的振動頻率?對渣塊的篩除效果有顯著的影響。振動頻率?的上升會明顯提高篩分效果。

（3）實際生產中，振動頻率的改變對渣塊篩除量有顯著的影響。而振動頻率與日均產量間的交互作用對渣塊篩除量存在顯著影響。

（4）入篩量及渣塊含量的提高，均會降低篩分設備的篩分效率。

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收稿日期：2022-05-24

作者簡介：謝晗（1992－），男，四川達州人，工學碩士，主要研究方向為核燃料元件制造及核材料衡算，E-mail：527108732@qq.com。