滾筒內顆粒混合過程的實驗研究

榮文杰， 秦德越， 李寶寬， 馮昱清

(1.東北大學 冶金學院， 遼寧 沈陽 110819; 2.聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織， 澳大利亞 墨爾本 VIC3168)

滾筒是一種常用的顆粒物質處理設備，應用于多個工業(yè)領域.比如冶金領域用于物料焙燒的回轉窯，農業(yè)領域用于糧食干燥的滾筒干燥器，磨礦生產中研磨礦石的球磨機和制藥行業(yè)的藥品混合器等都可以看作是滾筒[1-4].滾筒的旋轉由電機驅動，顆粒物料在滾筒內的處理過程會消耗大量電能.比如在選礦廠中，磨機的電耗占整個選礦廠的70%～80%[5].研究滾筒內部顆粒混合過程的功率消耗具有廣泛的應用意義和經濟價值.

雖然滾筒結構簡單，操作容易，但是其內部顆粒物料的運動規(guī)律非常復雜.尤其當滾筒內部顆粒在尺寸、密度和形狀等不同時，顆粒之間還會出現混合或分離現象[6-7].滾筒內顆粒分離分為徑向分離和軸向分離，徑向分離一般在滾筒旋轉幾圈后即出現，而軸向分離出現得非常慢，所以大部分研究都是針對徑向分離的.

關于顆粒混合與分離的實驗研究主要集中在混合/分離機理的研究[8-12].Nityanand等[11]研究了滾筒在不同轉速下的顆粒徑向分離，發(fā)現分離速率是轉速的函數而與床層厚度無關.Alizadeh等[12]采用放射性粒子跟蹤技術研究了滾筒內的顆粒分離機理，捕捉到了典型的小顆粒被大顆粒包圍現象.伴隨顆粒混合/分離機理的研究，本文還關注了滾筒功率消耗情況.

為了直觀理解顆粒的混合與分離過程，并探究功率消耗的規(guī)律，本文針對不同粒徑的二元顆粒展開實驗研究.設計了一套滾筒實驗裝置，以玻璃珠為顆粒材料分別研究了不同滾筒操作參數(轉速和填充比)和不同顆粒參數(粒徑比)的顆粒混合過程，并總結滾筒功率消耗的規(guī)律.

1 滾筒的工作原理與操作參數

滾筒一般是水平放置，繞中心軸旋轉，如圖1所示.滾筒的幾何參數主要包括直徑和長度.滾筒的操作參數主要包括轉速和填充比[13].當滾筒轉速較低時，緊貼滾筒壁面的顆粒隨滾筒旋轉到一定高度拋落下來，此時拋落點A處離心力等于重力在法向方向的分量(FA=GA·cosθ).當顆粒可以隨滾筒旋轉一起作圓周運動時，即顆粒可以隨滾筒到達點B，顆粒受到的離心力和重力相等(FB=GB)，此時滾筒的轉速定義為臨界轉速[14]：

(1)

式中：nc是臨界轉速，r/min;R是滾筒半徑，m.

圖1 滾筒示意圖

顆粒在滾筒內的填充比定義為顆粒的總體積與滾筒體積的比值[15].在圖1中，填充比η可以按下式計算：

(2)

式中，h和α分別表示顆粒填充部分表面到滾筒圓心的高度和填充部分所在扇形圓心角的一半.

2 實驗裝置與實驗方案

2.1 實驗裝置

本文作者自行設計并搭建了一套滾筒實驗裝置，如圖2所示.

1—電機；2—與電機配套的減速器；3—動態(tài)扭矩傳感器；4—24 V開關電源；5—計算機； 6—滾筒；7—支架；8—傳動軸；9—聯(lián)軸器；10—軸承盒.

滾筒是該實驗裝置的主要工作部件，整體可以看作由一端支撐的懸臂梁結構，其內部結構如圖3所示.滾筒由筒體、內襯、后擋板和由兩塊半圓形玻璃板拼接而成的前擋板組成.滾筒內徑為185 mm，長度為102 mm.在實驗過程中利用拼接的半圓形有機玻璃板可以清晰地觀察到內部玻璃珠的混合狀態(tài)，便于實驗記錄與分析，并且拼接結構方便在實驗過程中裝卸玻璃珠.筒體材料是有機玻璃，由于其比較光滑很難帶動玻璃珠轉動，添加了筒體內襯來增加玻璃珠與筒體之間的摩擦.利用減速器配合電機以合適的轉速驅動滾筒轉動.動態(tài)扭矩傳感器可以測量滾筒工作后的轉速、扭矩和功率，并由扭矩傳感器軟件的數據線連接到計算機顯示動態(tài)測量結果.24 V開關電源為扭矩傳感器供電.聯(lián)軸器起到連接不同設備傳動軸的作用.軸承盒用于滾筒端傳動軸的固定.實驗裝置中增設了尺寸合適的支架以保證傳動軸的水平高度相同，使?jié)L筒的旋轉更為穩(wěn)定.

圖3 滾筒

2.2 實驗方案

為了研究顆粒在不同混合狀況下的功率分布情況，本文設計了3組變量，填充比為20%，35%，50%；轉速為22，54，81 r/min；粒徑比為3∶4，3∶5，3∶6.玻璃珠的直徑分別為3，4，5和6 mm，密度均為2 800 kg/m3.為了區(qū)分不同尺寸的玻璃珠，直徑3 mm的玻璃珠選用白色，其他直徑玻璃珠為綠色.

實驗開展過程中，首先接通電機電源與動態(tài)扭矩傳感器電源，完成通電.然后將滾筒前擋板的一塊半圓形玻璃拆下，將不同直徑的玻璃珠按照體積比1∶1的數量分批裝入滾筒中.文獻[9]已證實初始顆粒放置方式不影響最終的顆粒混合結果，所以本實驗中白色小玻璃珠在下層，綠色大玻璃珠在上層.裝料后，將玻璃珠表面鋪平，以便于實驗過程中觀察玻璃珠混合情況.如圖4所示.

圖4 不同填充比玻璃珠初始分布情況

玻璃珠裝完后，將拆下的半圓形有機玻璃板用螺絲固定到滾筒上，打開減速器上的開關，調至設計轉速.同時，將DYN-200扭矩傳感器軟件的數據線連接至計算機端口；打開端口后，計算機端的DYN-200扭矩傳感器軟件開始記錄扭矩、轉速和功率的實時數據.實驗過程中，用高速攝像機對旋轉滾筒內部的玻璃珠混合過程進行拍攝和錄像.

3 結果與討論

在實驗過程中觀察到玻璃珠混合非常快，一般滾筒旋轉幾圈即可達到充分混合.當觀察到混合狀態(tài)不再改變后，會讓滾筒繼續(xù)旋轉一定時間，盡可能消除觀察誤差，然后得到實驗結果.

3.1 不同工況下的顆粒混合結果

表1展示了當粒徑比為3∶4時填充比和轉速對玻璃珠混合的影響.可以看出當轉速較低時，白色玻璃珠更趨向于集中分布在床層的中間位置，而綠色玻璃珠包圍白色玻璃珠，即滲透作用引起的玻璃珠分離現象更明顯.當滾筒轉速為22 r/min時，隨著填充比增大，分離現象明顯.當轉速為54 r/min時，玻璃珠在相同填充比情況下比轉速為22 r/min時混合得更好.但是當轉速為81 r/min，填充比為50%時，滾筒外側能看到的基本是白色小玻璃珠，玻璃珠之間既沒有典型的分離現象，也沒有混合均勻.這一現象在文獻中從未見到過.分析其原因是滾筒在設計時，為了保證其旋轉的穩(wěn)定性，傳動軸穿入滾筒內大約15 mm，相當于5個3 mm小玻璃珠的直徑.實驗過程中觀察到當玻璃珠在運動過程中撞擊到滾筒中間的螺母時會受到力的作用而遠離本來的運動路徑.當不同直徑的玻璃珠以體積比1∶1放入滾筒中，白色小玻璃珠的數量會多于綠色大玻璃珠，所以壁面附近出現了更多被撞擊后的白色玻璃珠，最終出現了以上現象.

表1 玻璃珠混合分布(粒徑比3∶4)

表2展示了當轉速為22 r/min時填充比和粒徑比對玻璃珠混合分布的影響.從圖中可以看出，當粒徑比為3∶4和3∶5時，在低填充比情況下，玻璃珠分離現象不明顯，但是當粒徑比為3∶6時，在不同填充比情況下玻璃珠都分離得很明顯.隨著玻璃珠直徑差距越來越大，在相同的填充比下玻璃珠的分離現象越來越明顯，原因是粒徑差距越大，滲透作用越明顯.填充比固定時，每種玻璃珠的總體積是固定的，所以玻璃珠直徑越大，玻璃珠數量就越少，當徑向分離后，綠色大玻璃珠占據的區(qū)域隨著其直徑的變大而變小.

表3展示了當填充比為20%時，轉速和粒徑比對玻璃珠混合分布的影響.在不同滾筒轉速下，隨著玻璃珠直徑差距變大，玻璃珠分離現象更明顯.當轉速為22 r/min，在粒徑比為3∶6時，白色玻璃珠被綠色玻璃珠包圍的現象非常明顯.在相同粒徑比下，隨著滾筒轉速的提高，玻璃珠混合程度加強.但是可以看出，當粒徑比為3∶6時，同樣在81 r/min的轉速下，玻璃珠的混合效果相對于其他兩種粒徑比要差一些.由此可見當轉速和粒徑比兩種因素共同作用時，玻璃珠粒徑差距越大，轉速對玻璃珠分離的影響越小.出現這一現象的原因是當玻璃珠粒徑差距越大時，大玻璃珠之間的間隙越大，小玻璃珠越容易滲入到大玻璃珠之間，轉速對滲透作用的影響便減弱.

3.2 不同因素對功率消耗的影響

全部工況的功率消耗情況如圖5所示.可以看出滾筒的功率消耗對轉速和填充比的敏感性遠高于粒徑比.隨著填充比的增加，功率消耗逐漸增加.隨著轉速的增大，功率消耗也明顯地逐漸增加.但是粒徑比對功率消耗的影響相對而言非常小，從柱狀圖上并不能明確分辨其影響規(guī)律.本文對功率消耗的具體數值進行比較，發(fā)現除了填充比為35%，轉速為81 r/min時粒徑比為3∶5的功率消耗高于粒徑比3∶6，其他情況下玻璃珠粒徑差距越大，功率消耗越高.

表2 玻璃珠混合分布(轉速22 r/min)

表3 玻璃珠混合分布(填充比 20%)

圖5 不同工況的功率消耗

4 結 論

本文采用自行設計的滾筒實驗裝置分別研究了不同滾筒操作參數下玻璃珠混合過程及其功率消耗情況.實驗結果表明，對于當前實驗中的滾筒，玻璃珠填充得越多，玻璃珠分離現象越明顯，功率消耗越多.在低填充比，玻璃珠粒徑接近時，不同轉速下的玻璃珠分離現象不明顯，但是功率消耗對轉速的敏感性比較高，轉速越高，功率消耗越多.當粒徑大小差距更大時，玻璃珠分離現象明顯，但是功率消耗對粒徑比的敏感性遠低于轉速和填充比.