挡块对粉体分级机性能的影响研究

胡寿高，杨越，李浙昆

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

随着粉体分选技术要求的精益求精，粉体工业工艺技术不断改进，降低不良品率、提高分离效率和增加产品附加值是目前粉体行业追求的目标。气流分级作为粉体分级的重要手段，凭借其操作简单、分级效果好、无需干燥等特点在粉体分级方面有着广泛的应用[1]。

目前气流分级机主要存在两方面问题：一是，经分级机分选后的细粉成品中总会含有一定量的粗粉颗粒，若成品中的粗粉颗粒占比多，会导致产品质量不合格，达不到客户生产要求，不能满足后续产品深加工需要，并且会致使产品附加值降低；二是，分级过程中，由于静电等作用使较细的粉体产生团聚现象，被分级机当成粗粉分离出来，这样会降低分级效率并且造成浪费。气流分级机对分级机动力要求高、能耗大，因此有必要对分级机进行优化，以提高分级效率、降低成本。分级机的内部结构是影响分级效率及精度的主要因素，影响气流分布以及粉体的运动轨迹，因此对分级机的优化主要集中于分级腔的内部结构优化。本文将针对以上两方面问题提出一种分级腔内部结构改进方案，并利用Fluent 进行数值模拟仿真。

1 问题的提出

1.1 分级机理

图1 为气流分级机的工作原理示意图。分级机主要由进料口、锥形落料口、分级腔体、细料出料口以及安装在主轴上的转笼构成，主轴由电机带动，细料出料口处连接有负压发生器。

图1 气流分级机的工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of air classifier

分级机的工作原理为：待分级的粉体物料由下端的进料口进入分级机内部，由负压发生器产生的向上气流将粉体输送到转笼周围的分级区。电机带动转笼转动使分级区产生旋转流场，粉体绕着转笼做回转运动，此时的粉体受到由负压产生的向内的气流曳力和运动产生的向外的离心力。粒径较大的粉体颗粒，由于受到向内的气流曳力小于向外的离心力，于是会运动到分级腔的内壁上，在重力的作用下落入锥形落料口；粒径较小的粉体颗粒，由于受到的气流曳力大于离心力，便会穿过转笼叶片从上方细料出口分离出。通过调节叶轮转速及负压强度可以调节分级粒径[2-3]。

1.2 鱼钩效应

对气流分级机的评价指标中有部分分级效率，即将原料粉体的粒径分为若干区间，测定下端落料口收集的粉体粒径，确定不同粒径区间的回收效率。假设粒径在区间[d，d+Δd]内的原物料质量为ma，回收的质量为mb，则此粒径的部分分级效率为η=mb/ma（%）。通过测定，得到图2 所示曲线，可直观了解不同粒径粉体颗粒的回收率，曲线的斜率越高，说明分级机的分级精度越高。

图2 鱼钩效应示意图Fig.2 Schematic diagram of fish-hook effect

理想状态下曲线从右到左呈平滑下降趋势，但实际情况会出现先下降然后在左端出现小幅回升，曲线呈鱼钩状，这就是“鱼钩效应”。较小粒径颗粒回收率的增多，代表较多的小粒径粉体颗粒未能成功地从细料出口被分离出来，这对分级机的分级精度影响颇大[4]。

分析产生鱼钩效应的原因，小粒径粉体颗粒的团聚是最主要因素。团聚现象是由于在气流分级过程中，随着颗粒粒径的减小，范德华引力与自重之比急剧增大，就容易产生一个小颗粒粘附在大颗粒上或几个小颗粒团聚成一个大颗粒的现象[5]，团聚后的小粒径颗粒，若在分级机腔内未被成功打散，便会随着大粒径颗粒一同沿着内壁落入落料口。

2 挡块的设计

研究如何减小鱼钩效应是具有长远意义的课题，诸多学者对分体分级机的研究都意在减小鱼钩效应[6]。针对团聚颗粒的打散以及大粒径颗粒的沉降，本文考虑使用在分级腔内壁设计挡块的方法实现，其原理为：粉体颗粒在分级腔内运动时，大粒径颗粒和团聚后的小颗粒都被离心力带向内壁做回转运动，当这些颗粒与挡块发生碰撞时，团聚颗粒被打散，大颗粒减速沉降，从而提高分级精度、减小鱼钩效应。

图3 为MS 型粉体分级机的三维模型及内流场模型，模型高3 351 mm，分级腔的内径890 mm，转笼直径451 mm。此时的模型为分级机初始模型，其分级腔的内壁为光滑状态，粉体颗粒在接近壁面处运动时将不会和内部结构发生碰撞，团聚的粉体颗粒仅在颗粒间相互碰撞时被打散，而这种碰撞产生的效果是十分微小的。

图3 MS 型粉体分级机三维模型及内流场模型Fig.3 Three-dimensional model and internal flow field model of MS powder classifier

在分级腔的内壁上每间隔90°均匀安装4 个挡块，用以增加粉体颗粒在接近壁面处的碰撞。设计3 种截面形状的挡块：半圆形、矩形、三角形，研究不同形状挡块的作用效果，得到最优截面形状。3 种挡块的三维模型及其分布如图4 所示，挡块的长度与分级腔的长度相同，为780 mm，突出高度为14 mm。

图4 3 种挡块的三维模型及其分布Fig.4 Three-dimensional model and distribution of three blocks

3 CFD 流场分析与对比

3.1 软件介绍

采用实测手段难以对复杂的内部流场进行分析，利用数值模拟的方法对分级机进行流场分析是目前的主流方法，本研究中用于流体仿真的软件为ANSYS Workbench 中的Fluent 模块。Fluent 是目前国际上比较流行的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件，拥有丰富的集成物理模型和流体问题数值方法，对于流体力学的运动模拟，使用离散数值分析模拟流体动力学模型，采用不同的计算方法和离散形式，解决不同模型下的流动问题[7]。

3.2 原始模型的流场仿真

在对分级机进行结构改进之前，对原分级机腔的内流场流动情况进行仿真，通过仿真图可以看出流域内各个位置处的流场流动情况。仿真前对流场模型进行网格划分。在ANSYS Workbench 中，对于网格计算的求解划分方法有多种，本文主要用tetrahedron 四面体划分法对流场区域进行划分，网格数量为1 271 169 个。

原分级机腔内仿真条件设置为：（1）对流场区域划分为2 部分，转笼部分为转动域；（2）将2 个流域接触面设置为相匹配，出口压强条件设置为2 kPa，腔内转笼的转速为400 r/min，迭代次数为3 000。经过计算，得到的流场速度矢量图如图5 所示。可以看到，流场中最大速度为16.2 m/s，流场分布稳定且流畅，经后处理测量，分级腔壁面的气流速度在2.02～2.43 m/s 范围变化。

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

3.3 挡块模型的流场仿真

对原始分级机的模型进行处理，设计3 个模型，分别添加截面形状为半圆形、矩形、三角形的挡块、分别对添加3 种类型挡块的分级机进行内部流场抽取。Fluent 的前处理与原始模型相同，首先划分出转动域，再用tetrahedron 四面体方法进行网格划分。同样，设置好边界条件及转动参数，进行3 000 次迭代。计算得到的流场速度矢量图如图6。从矢量图可见，添加挡块之后分级腔边缘处的流场发生了变化，最大速度及速度分布情况与原始模型相差不大。

图6 3 种挡块模型速度矢量图Fig.6 Velocity vector diagram of three block models

3.4 结果对比分析

（1）分级机内壁流场情况对比

仿真计算完成后，在后处理模块中可分别得到4 种模型在分级机壁面处的流场速度矢量图，如图7 所示。对比发现，没有安装挡块的模型近壁面流场均匀，在中部有缓慢沉降的气流；安装了挡块的模型在近壁面能看到明显的速度聚集，气流到达挡块处时，可以看到明显的气流沉降。经后处理测量，加装挡块后，分级腔壁面的气流速度在挡块附近降至0.4～1.2 m/s，相比原始模型气流速度明显降低，且气流沉降的速度快、距离长，有利于大粒径颗粒的沉降和团聚颗粒的打散。

图7 4 种模型壁面速度矢量图对比Fig.7 Comparison of velocity vector graphs of four models

这说明安装在腔体内部近壁面的挡块可以改变靠近分离腔壁面的流场，改变原分级机结构近壁面上下流场速度较为稳定的情况。通过这种方法适当调节近壁面流场分布情况，可以增加颗粒的碰撞几率，大粒径颗粒经过碰撞后切向速度减小便会加速沉降，而团聚颗粒经过碰撞后被打散，变为细颗粒后继续通过回转运动完成分级，减小了粗颗粒被细粉出口收集及细颗粒被沉降的概率，提高了粉体分级机的分级效率与精度。

（2）转笼处水平截面流场对比

在模型的高1 200 mm 处添加一个水平面，此处正是转笼区域的高度，可以显示转笼区域速度矢量。不同截面形状挡块模型在转笼处（1 200 mm）的水平速度矢量如图8 所示。从原始模型的仿真结果来看，不论是中心处还是近壁处整体流场都稳定均匀，由外向内气流速度不断增大，越靠近转笼处速度方向越向中心倾斜。分级腔中靠近转笼的部分是分级过程的主要发生区域，分级机的分级过程大部分在此区域内完成。由添加了挡块的模型仿真结果可见，气流在流经挡块时，会在挡块后方形成一定程度的旋涡，旋涡剖面形状为长条状或倒锥状，这些漩涡会使颗粒在流经挡块时在局部剧烈运动，有利于吹散、混合颗粒，增加颗粒的碰撞几率。

然而挡块的安置不应对分级过程发生区域流场产生过大的影响，否则会影响分级效果。观察半圆形、矩形、三角形截面挡块模型的仿真结果发现，半圆形挡块由于表面的流线结构，气流经过时会十分流畅。从图8 可以看出，气流经过挡块时产生的扰动范围小，转笼附近区域的流场依然均匀，基本没有受到影响；矩形挡块和三角挡块由于表面结构和气流产生了正面冲撞，引起的气流扰动波及范围比半圆挡块的大，其中矩形挡块引起的扰动最大，三角形挡块次之。综合对比，半圆形截面为挡块的最优结构。

图8 转笼处流场对比Fig.8 Comparison of flow field at the cage

（3）腔内压力对比

选择最优的半圆挡块结构模型与原始模型对比，利用竖直截面与1 200 mm 处水平截面的压力分布云图分析挡块的安装对分级腔内压力分布的影响，得到二者的压力分布情况如图9 所示。由图9可以看出，无论是否含有挡块，分级机分离腔内压力分布情况、变化规律均无明显变化，不存在流域内某处有压力突变的情况，由外向内压力均匀逐渐减小达到将细颗粒分离的目的。无挡块时，分级机分离腔内最大压力为2 110 Pa；添加半圆形挡块时，分级机分离腔内最大压力为2 130 Pa，两者数值差异并不显著。因此，添加挡风对腔体内的压力分布规律并无明显影响，并不会影响气流对颗粒的输送能力。

图9 原始模型与半圆挡块模型的腔内压力对比Fig.9 Comparison of cavity pressure between original model and half-circle block model

4 结论

在MS 型粉体分级机的分级腔内壁设置了挡块，一方面用以加速粗颗粒的沉降，减小分级之后细料中粗颗粒的含量，另一方面用以打散团聚的细颗粒，减少细粉的团聚沉降。对分级机的原始模型及加装挡块后的模型分别进行数值模拟仿真，验证挡块设计的可靠性，同时选择最优挡块结构。通过仿真结果对比分析，发现添加了挡块后可以增加颗粒的碰撞几率，大粒径颗粒经碰撞后切向速度减小，加速沉降；团聚颗粒经碰撞后被打散，变为细颗粒后继续通过回转运动完成分级，提高了粉体分级机的分级效率与精度。在3 种不同截面形状的挡块中，截面为半圆形的挡块在与气流碰撞时对内部流场运动及压力分布影响最小，为最优结构。