約束型活動擋板對滾筒內特定二元顆粒混合過程的影響

秦德越， 榮文杰,2，李寶寬

(1. 東北大學冶金學院， 遼寧沈陽110819; 2. 礦冶過程自動控制技術國家重點實驗室， 北京102628)

滾筒是一種應用廣泛的顆粒處理設備，通過顆粒與筒壁的摩擦力來帶動顆粒運動達到混合或分離的目的。在冶金領域，通常使用回轉窯進行復雜難選鐵礦磁化焙燒[1]；在食品工業中，使用直接加熱式旋轉干燥機對制成的顆粒進行干燥[2]。顆粒混合的過程涉及的物理現象十分復雜，為了提高工業生產效率，減少功率消耗，對滾筒內部顆粒混合進行研究十分必要。

滾筒內不同性質的顆粒在混合過程中會出現2種分離現象，分別為徑向分離和軸向分離[3]，這2種現象的出現不僅與顆粒的種類、 形狀、 粒徑比、 密度等物理性質有關[4-6]，還與滾筒長度、直徑和內襯的摩擦系數以及滾筒內是否裝有擋板等有關[7-8]。Zhang等[9]探究了在3種不同的擋板排列位置和加入自由型擋板4種情況下對滾筒內顆粒混合結果的影響，結果發現，自由型擋板的長度對混合結果起至關重要的作用。Zhou等[10]通過使用混合時間和混合熵來表征最終混合物的均勻性的方法研究了具有不同內聚力值的顆粒在滾筒中橫向混合的過程，結果表明，對于高黏性顆粒，使用擋板的混合效果要好于低黏性顆粒。

Jiang等[11]在一側筒壁的中心處固定3種不同形狀的擋板研究發現，適中尺寸的“+”和“*”形擋板會獲得均勻的混合結果；Yu等[12]提出一種新型交替擋板系統用來改善軸向分離現象，交替布置的擋板通過擋板的散射作用和推動作用有效促進了軸向混合。擋板固定在滾筒中心和筒壁上均不能夠同時對顆粒床的中心和四周起到良好的攪拌作用，因此本文中通過使用約束繩連接擋板的方式使其在實驗開始前就位于顆粒床的內部，從而實現用繩長改變擋板的位置。

本課題組在先前的實驗中對滾筒內顆粒混合過程進行了研究[13]，發現顆粒粒徑比越大、 填充比越大，顆粒的分離現象越明顯。在此基礎上，本文中在填充質量比為50%，粒徑比為1∶2的條件下，在滾筒內分別改變自由型活動擋板和約束型活動擋板的物理性質(尺寸、 形狀等)對顆粒混合過程進行觀測，并使用混合指數指標對顆粒混合結果進行評估。

1 實驗

1.1 設備和裝置

實驗裝置由10個部分組成， 如圖1所示， 設備名稱及參數見表1。 圖中Ⅰ是實驗裝置整體圖， Ⅱ為調速電機； 圖Ⅲ是動態扭矩傳感器， 用來記錄實驗過程中的扭矩、 轉速和功率等參數， 并且通過聯軸器使扭矩傳感器與電機軸和傳動軸相連； Ⅳ是主要的運轉設備， 用來容納玻璃珠并帶動玻璃珠在筒體混合。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Diagram of experimental devices

表1 實驗設備及參數

Ⅴ為24 V直流電源，用來給動態扭矩傳感器供電。Ⅵ為軸承瓦盒，內部裝有軸承，一方面使得傳動軸從中心穿過起到支撐和運轉穩定的作用，另一方面內部的軸承能夠有效地減小傳動軸旋轉時的摩擦力，上部帶有綠色小孔，用于灌注潤滑油。Ⅶ為與調速電機搭配使用的減速器，是滾筒實驗裝置的控制模塊。Ⅷ為與動態扭矩傳感器配套使用的DYN-200扭矩傳感器軟件，實驗過程中可以實時記錄滾筒的轉速和旋轉引起的扭矩及功率消耗數據，并用來顯示實時數據曲線。

滾筒為該實驗裝置的主要工作部件(見圖2)，整體看作由一端支撐的懸臂梁結構，其內部結構如圖2 a)所示。旋轉圓筒由筒體、后擋板和由2塊半圓形玻璃板拼接而成的前擋板組成，用于拼接的半圓形有機玻璃板可方便裝卸混合玻璃珠，并能夠在實驗過程中清晰地觀察到內部顆粒的混合狀態。

由于在實驗過程中考慮到僅從透明前擋板觀察顆粒混合結果具有片面性，無法觀察到內部混合狀態；同時，后擋板處固定傳動軸的螺釘對混合產生消極影響，所以將前擋板改進為帶有直徑為20 mm圓形取樣孔的玻璃板，如圖2 b)所示。

a)無孔玻璃板b)有取樣孔的玻璃板圖2 滾筒Fig.2 Rotating drum

實驗選取白色玻璃珠直徑為3 mm，綠色玻璃珠直徑為6 mm，密度均為2 800 kg/m3；圓孔分離篩用于在每次實驗后將2種直徑的玻璃珠分離，如圖3所示。由于實驗主要考察的是不同參數的約束型活動擋板對顆粒混合程度的影響，因此擋板的設計參數見表2。約束繩分為彈性和非彈性2種類型，其中非彈性約束繩的長度分別選取了30、 60、 90 mm。

圖3 電子秤、 玻璃珠和分離篩Fig.3 Electronic balance, glass beads and sieve

表2 擋板形狀及尺寸

1.2 方案

預先的顆粒混合實驗[13]發現：在高填充質量比(50%)情況下，由于滾筒與傳動軸連接處的螺釘過長，因此導致顆粒內部混合結果與前擋板處觀察到的結果不同，采取重復停機取樣方法進行滾筒內部顆粒樣本采集。在滾筒前擋板上對稱選取16個直徑為20 mm的圓孔(見圖4)，目的是在每次滾筒停止旋停后，取樣孔的數量是相同的，從而確保實驗結果的可靠性，取樣孔分布如圖4 a)所示，實際帶孔前擋板如圖4 b)所示，白色泡沫塑料用于防止實驗過程中玻璃珠外泄。

a)取樣孔分布圖b)實際取樣孔圖4 取樣孔Fig.4 Sampling holes

圖5為取樣時用到的直徑為20 mm平底取樣管。另外，實驗開始前，先將玻璃擋板打孔，目的是便于用約束繩與滾筒相連，如圖6所示。

圖5 取樣管Fig.5 Sampling tube

圖6 擋板Fig.6 Baffles

實驗過程中，首先將整套設備水平的放在桌子上并將電機與扭矩傳感器的電源接通，完成通電。然后將滾筒的一塊半圓形前擋板拆下，使用約束繩將實驗所需擋板與螺釘相連，如圖7所示。將玻璃珠按照體積比為1∶1的比例裝入滾筒，文獻[6]中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。

裝料完畢，將前擋板固定后，旋轉減速器旋鈕達到預定速度(實驗中涉及轉速為30、 60 r/min)，每隔2 s進行1次取樣。取樣成功后，對取樣管中的數據進行記錄，最后將滾筒清空，并用分離篩將玻璃珠分離準備下一組實驗。

圖7 擋板連接方式Fig.7 Baffle connection method

通過混合指數指標進行量化，比較顆粒混合程度[5]，混合指數

(1)

當混合指數指標越小時，證明混合效果越好，反之越差。

2 結果與討論

2.1 擋板尺寸對二元顆粒混合的影響

圖8 a)表示的是當滾筒轉速為30 r/min時，自由型擋板與約束型擋板對混合指數影響的圖像。當滾筒內無擋板時，對應的混合指數為0.156；而滾筒內安裝自由型十字擋板和約束型十字擋板后混合指數均小于0.156，表明加入約束型與自由型擋板均對混合起到促進作用。同時，當十字型擋板的尺寸增大后，可以發現40 mm的擋板混合效果最差；60 mm中型尺寸的混合效果最好。這是因為擋板尺寸越小，與顆粒碰撞的概率越低，起不到較好的攪拌作用；而十字型擋板的尺寸過大時，擋板會阻礙顆粒混合過程，文獻[8]中可以得到驗證。

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比較自由型擋板和約束型擋板的混合指數可以發現，在3種尺寸下均是約束型擋板對應的混合指數小，其原因是約束型擋板相對于自由型擋板增加了約束繩的牽制，從而在混合過程中增大了繩的攪拌作用，使得顆粒的混合效果優于自由型擋板的。

當滾筒的轉速增大到60 r/min時(如圖8 b)所示)無擋板情況下的混合指數為0.148，與圖8 a)中相比，發現轉速可以起到促進混合的作用。在該轉速下可以發現，加入擋板并未全部起到增加混合的效果，只有在十字型擋板尺寸為80 mm時的混合指數小于0.148。

同時，從圖8中還可以發現，不論低轉速還是高轉速，自由型擋板對應的混合指數均高于約束型擋板。

2.2 擋板形狀對二元顆粒混合的影響

圖9表示在30、 60 r/min 2種轉速下，擋板形狀對混合指數的影響。圖9 a)顯示的是滾筒轉速為30 r/min時，不同形狀的約束性擋板對顆粒混合的影響。由圖可以發現，當擋板的形狀為正方形時混合效果最好，對應的混合指數達到0.133；而梯形的最差，對應的混合指數為0.169。又可以發現，在低轉速時加入不同形狀的約束型擋板雖然會產生相差很大的混合效果，但是全都不同程度地減小了混合指數(促進混合)。

從圖9b)中不難看出，當滾筒轉速達到60 r/min時，無擋板狀況下的混合指數最小，表明在高轉速下約束型擋板的形狀對混合效果的影響較小。這是因為轉速在60 r/min時顆粒處于傾瀉狀態，此時為顆粒的最優混合狀態[14]，所以擋板的攪拌作用是次要的。對比2種轉速下的柱形圖可以發現，十字型擋板的增混效果最為平均。

a)30 r/minb)60 r/min圖8 自由型活動擋板和約束型活動擋板對顆粒混合的影響Fig.8 Effect of free moving baffle and constrained moving baffle on particle mixing

a)30 r/minb)60 r/min圖9 約束型活動擋板形狀對顆粒混合的影響Fig.9 Effect of shape of constrained moving baffle on particle mixing

2.3 約束繩長度對二元顆粒混合的影響

圖10為分別在30、 60 r/min 2種轉速條件下， 混合指數隨約束繩長度改變的折線圖， 其中圖10 a)為滾筒轉速為30 r/min時， 約束型十字擋板對應的混合指數隨約束繩長度變化的折線圖。從圖中很明顯可以看出，當約束繩的長度為60 mm時，對應的混合指數一直是最低的，且隨著十字型擋板尺寸增大而減少。這是因為60 mm的繩長剛好使得十字型擋板處于顆粒床的中心位置，所以在旋轉過程中對顆粒的攪拌作用更強。約束繩長度為30 mm時，十字型擋板位于顆粒床的表面附近，對于顆粒內部的擾動很小，從而沒有良好的增混作用。

圖10 b)表明， 只有約束繩的長度為90 mm時對應的混合指數小于0.148， 此時的混合效果優于無擋板情況。 同樣表明， 當提高轉速使得顆粒處于傾瀉狀態時， 轉速對于顆粒混合的影響占主要地位， 在文獻[14]中可以證明。 同時對比圖10 a)—b)可以發現， 盡管隨著轉速的提高， 約束繩長度對混合指數的影響越來越差， 但相比之下繩長為60 mm對應的混合指數仍然是最小， 混合效果優于40、 80 mm時的情況。

a)30 r/minb)60 r/min圖10 約束型活動擋板的約束繩長度對顆粒混合的影響Fig.10 Effect of length of restraint rope of constrainedmoving baffle on particle mixing

2.4 約束繩彈性對二元顆粒混合的影響

圖11是約束型十字擋板的約束繩彈性對混合指數的影響。其中圖11 a)表明，在轉速為30 r/min時， 約束繩有無彈性均會使顆粒的混合指數變小， 而非彈性繩牽引的擋板對應的混合指數可以達到0.115。 這是因為在低轉速下顆粒處于滾動狀態，約束繩和擋板均會對顆粒床起到攪拌作用，從而增強混合；而彈性約束繩對應的混合指數相對更大是因為彈性繩對擋板的約束作用會隨著混合過程中約束繩長度變長而變弱，從而削弱混合效果。

如圖11 b)所示，當轉速提高到60 r/min時，只有連接非彈性約束繩的長度為80 mm的十字型擋板對應的混合指數小于無擋板對應的，表明高轉速下裝有連接彈性約束繩的活動擋板并不會始終起到促進混合的效果。

a)30 r/minb)60 r/min圖11 約束型活動擋板的約束繩彈性對顆粒混合的影響Fig.11 Effect of elasticity of restraint rope of constrained moving baffle on particle mixing

3 結論

1)當滾筒轉速為30 r/min時，十字型約束擋板對應的混合指數最小為0.115，十字型自由擋板對應的混合指數最小為0.139，均小于無擋板時對應的混合指數0.156。約束型擋板對于顆粒混合具有更好的增強作用。

2)十字型約束擋板不論是轉速處于30 r/min還是60 r/min情況下均有較好的增混效果，而正方形擋板只在低轉速下具有很好的增混效果。

3)通過改變約束繩的性質發現，在低轉速下，非彈性60 mm長約束繩配合60 mm十字型擋板時對應的混合指數最小，為0.115；高轉速下只有擋板尺寸為80 mm時對應的混合指數小于0.156。不論是滾筒處于低轉速還是高轉速，非彈性繩對顆粒的增混效果都優于彈性繩。