何 鵬，肖 驍，2，張國旺，2，龍 淵，2，趙 湘，2，謝睿寧

（1.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.湖南金磨科技有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012）

氣流渦旋微粉機(jī)是一種集粉碎、分級(jí)為一體的微粉碎設(shè)備，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、粉碎性能良好，目前廣泛應(yīng)用于食品、藥材、飼料粉碎等行業(yè)。該設(shè)備因其特殊結(jié)構(gòu)以及粉磨機(jī)理受到了新材料領(lǐng)域生產(chǎn)廠商的青睞［1］，近年來廣泛應(yīng)用于球形石墨的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中。由于設(shè)備內(nèi)部石墨顆粒運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多樣，目前對(duì)氣流渦旋微粉機(jī)制備球形石墨的機(jī)理研究仍不充分。國內(nèi)外研究人員主要通過制造實(shí)驗(yàn)機(jī)，并不斷調(diào)整設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)氣流渦旋微粉機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

ANSYS fluent作為一款功能全面的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，可對(duì)設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜多相流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，目前fluent多相流模型已成功應(yīng)用于旋風(fēng)分離器、輥磨機(jī)和錘片式粉碎機(jī)等設(shè)備的流場(chǎng)分析中［2－4］。氣流渦旋微粉機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡單，但在制備球形石墨時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)相對(duì)復(fù)雜，難以直接進(jìn)行測(cè)量觀察。為直觀了解氣流渦旋微粉機(jī)的石墨球形化過程，本文采用歐拉多相流模型對(duì)氣流渦旋微粉機(jī)腔室流場(chǎng)進(jìn)行氣固兩相流模擬，通過數(shù)值計(jì)算出設(shè)備工作時(shí)腔室內(nèi)部流體的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，初步揭示氣固兩相流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為設(shè)備進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 石墨顆粒球形化機(jī)理分析

以天然鱗片石墨為原料，使用氣流渦旋微粉機(jī)生產(chǎn)球形石墨。天然鱗片石墨顆粒呈片狀結(jié)構(gòu)，受到?jīng)_擊碰撞時(shí)，顆粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過石墨顆粒的彈性極限時(shí)，石墨顆粒就會(huì)發(fā)生片狀彎曲的塑性變形。塑性變形過程主要分為：①大鱗片石墨顆粒受沖擊后發(fā)生折疊彎曲，逐漸被沖擊成球狀或類球狀，成為球形顆粒的主核；②片狀石墨顆粒包覆在球形顆粒主核表面，形成球形大顆粒；③鱗片石墨破碎產(chǎn)生的微細(xì)顆粒嵌入球形大顆粒內(nèi)部間隙，在沖擊力作用下不斷緊實(shí)，最終形成球形石墨顆粒［5－6］。

2 氣流渦旋微粉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)模擬

2.1 流場(chǎng)分析

氣流渦旋微粉機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。設(shè)備生產(chǎn)過程中空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入腔室，在高速旋轉(zhuǎn)錘頭作用下產(chǎn)生渦流。石墨顆粒從入料口進(jìn)入，在錘頭、齒圈和渦流作用下發(fā)生碰撞、摩擦、剪切，實(shí)現(xiàn)石墨顆粒球形化，之后顆粒被包裹在上升氣流中通過分級(jí)輪排出腔室。石墨顆粒在腔室內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)可以簡化為顆粒的分散、碰撞以及輸送，空氣在這3種物料運(yùn)動(dòng)過程中都起關(guān)鍵性作用，所以在整個(gè)腔室內(nèi)部都是空氣和石墨顆粒的耦合流場(chǎng)。

圖1 氣流渦旋微粉機(jī)結(jié)構(gòu)

本文初步選定錘頭轉(zhuǎn)速6 000 r／min，分級(jí)輪轉(zhuǎn)速2 875 r／min，鱗片石墨顆粒粒徑20μm，氣體介質(zhì)為20℃空氣，空氣密度1.225 kg／m3，空氣運(yùn)動(dòng)黏度1.48×10－5m2／s，設(shè)置參考?jí)毫?01 325 Pa。根據(jù)氣流渦旋微粉機(jī)工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸將腔室內(nèi)部流場(chǎng)簡化為管道流場(chǎng)，對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，計(jì)算得出氣體入口處氣體速度12 m／s，氣體入口等效管狀直徑0.17 m，腔室流場(chǎng)雷諾數(shù)計(jì)算式為：

式中Re為雷諾數(shù)；U為管道橫截面氣體流速（速度特征尺度）；L為管道等效直徑（長度特征尺度）；υ為運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算得出的雷諾數(shù)可以初步判定氣流渦旋微粉機(jī)內(nèi)部腔室流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)為湍流運(yùn)動(dòng)，因此選擇κ-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬［7］。

2.2 流場(chǎng)模型建立

根據(jù)氣流渦旋微粉機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)，使用Solid Works三維建模軟件對(duì)氣流渦旋微粉機(jī)進(jìn)行三維實(shí)體建模。為降低計(jì)算成本并得到更高質(zhì)量的網(wǎng)格模型，對(duì)氣流渦旋微粉機(jī)三維實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略微粉機(jī)內(nèi)部部分細(xì)節(jié)（較小間隙、倒角等）以及各零部件之間的連接配合。利用meshing功能對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)粉碎盤和齒圈所在的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密（見圖2）。

圖2 簡化模型網(wǎng)格劃分

利用多重參考系模型（MRF）將分級(jí)輪回轉(zhuǎn)區(qū)域、粉碎盤回轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置為定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［8］。選用fluent壓力基求解器以及多相流模型中的歐拉模型對(duì)腔室內(nèi)部氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 氣固兩相流場(chǎng)分析

圖3為氣固兩相從進(jìn)入腔室到離開腔室的完整流動(dòng)過程。氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入設(shè)備腔室，受到粉碎盤高速旋轉(zhuǎn)的影響，進(jìn)行螺旋上升運(yùn)動(dòng)。石墨顆粒從進(jìn)料口進(jìn)入，被氣流攜帶在錘頭和齒圈間隙處反復(fù)運(yùn)動(dòng)，再通過分級(jí)輪離開腔室。氣體和石墨顆粒在腔室內(nèi)部發(fā)生氣固耦合，且耦合主要集中在球化室區(qū)域。

圖3 氣固兩相流線圖

圖4為氣流渦旋微粉機(jī)中心截面上的氣固兩相速度云圖，由于氣體從進(jìn)氣室通過粉碎盤與齒圈的狹縫時(shí)流動(dòng)面積急劇減小，且受到高速旋轉(zhuǎn)錘頭的影響，氣固兩相在錘頭與齒圈的環(huán)形區(qū)域產(chǎn)生高速流場(chǎng)。之后流體從導(dǎo)流圈下方通過時(shí)，流動(dòng)面積減小，產(chǎn)生局部速度突變，在此處附近產(chǎn)生大規(guī)模渦流以及不規(guī)則流動(dòng)。粉碎盤上方的流場(chǎng)流動(dòng)面積沿著Y軸軸向方向增加而逐漸增大，流場(chǎng)受高速旋轉(zhuǎn)粉碎盤的影響也逐漸降低，且考慮到渦流導(dǎo)致流體間發(fā)生劇烈能量交換時(shí)產(chǎn)生的局部損失以及整個(gè)流動(dòng)過程中的沿程損失，氣固兩相流體流動(dòng)速度逐步趨于穩(wěn)定。

圖4 中心截面氣固兩相速度云圖

為深入了解氣固兩相流場(chǎng)在球化室區(qū)域的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選取距粉碎盤上表面10 mm處的截面進(jìn)行具體分析。

圖5（a）為截面處氣固兩相流體流速矢量圖。由圖5（a）可看出在球化室區(qū)域，氣固兩相流動(dòng)速度波動(dòng)較為明顯，導(dǎo)流圈區(qū)域流動(dòng)速度局部增大，在此區(qū)域產(chǎn)生高強(qiáng)度渦流。該渦流一方面受到粉碎盤高速旋轉(zhuǎn)的影響；另一方面由于導(dǎo)流圈區(qū)域流體流動(dòng)面積減少，流體流經(jīng)此區(qū)域時(shí)速度突然增大。

圖5 氣固兩相流體流速矢量圖

另外在高速旋轉(zhuǎn)錘頭的作用下，錘頭和齒圈之間的環(huán)形區(qū)域處產(chǎn)生了環(huán)形渦流，流體在該區(qū)域內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該環(huán)形區(qū)域處流體速度變化梯度最大，說明石墨顆粒在此處受到的沖擊較為劇烈，顆粒球形化主要發(fā)生該環(huán)形區(qū)域內(nèi)。

圖5（b）為齒圈局部區(qū)域流體速度矢量圖。由圖5（b）可看出，氣固兩相流體隨著錘頭高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受到較大的離心力作用，在錘頭外緣產(chǎn)生徑向速度進(jìn)入齒內(nèi)，受齒圈齒形結(jié)構(gòu)的影響產(chǎn)生局部渦流。在此局部渦流影響下，流體改變速度方向回到錘頭和齒圈之間的環(huán)形區(qū)域繼續(xù)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

綜合流體流動(dòng)速度變化，可以分析出石墨顆粒在球化室的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：石墨顆粒進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部后在氣流的攜帶作用下首先受到錘頭的沖擊作用，獲取一定的初始動(dòng)能，在錘頭和齒圈之間的環(huán)形區(qū)域高速旋轉(zhuǎn)。由于離心力的作用，石墨顆粒產(chǎn)生徑向速度，進(jìn)入齒圈區(qū)域受到齒圈壁面的二次沖擊。在局部渦流影響下，石墨顆粒與齒圈壁面發(fā)生碰撞，顆粒速度方向發(fā)生改變，回到錘頭和齒圈之間的環(huán)形區(qū)域后繼續(xù)受到錘頭沖擊。

3.2 不同錘頭轉(zhuǎn)速下的氣固兩相流場(chǎng)變化

球化室內(nèi)的渦流可分為導(dǎo)流圈區(qū)域渦流、錘頭和齒圈之間環(huán)形區(qū)域渦流以及齒圈齒間的局部渦流。導(dǎo)流圈區(qū)域流體流速變化較大會(huì)增大石墨顆粒與顆粒之間碰撞及摩擦幾率，從而提高球形化效率。而錘頭和齒圈之間環(huán)形區(qū)域渦流以及齒圈齒間的局部渦流強(qiáng)度過高則會(huì)導(dǎo)致石墨顆粒在設(shè)備內(nèi)部主要發(fā)生粉碎破裂，影響顆粒球形化進(jìn)程。

上述3種渦流的強(qiáng)度主要受錘頭轉(zhuǎn)速影響。因此選取錘頭轉(zhuǎn)速2 400 r／min、3 600 r／min和4 800 r／min條件下的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與錘頭轉(zhuǎn)速6 000 r／min條件下流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖6。

圖6 不同錘頭轉(zhuǎn)速下氣固兩相流速變化

由圖6可知，錘頭轉(zhuǎn)速6 000 r／min和4 800 r／min時(shí)，錘頭與齒圈的環(huán)形區(qū)域處最高流速分別達(dá)到92 m／s和73 m／s，石墨顆粒受到?jīng)_擊力較大，石墨顆粒可能主要進(jìn)行破碎而非球化塑性變形，降低了石墨顆粒球形化效率。且導(dǎo)流圈區(qū)域流體流速波動(dòng)較小，石墨顆粒與顆粒之間的碰撞幾率較低。錘頭轉(zhuǎn)速3 600 r／min和2 400 r／min時(shí)，流場(chǎng)流動(dòng)速度較低，錘頭與齒圈的環(huán)形區(qū)域處最高流速分別為54 m／s和35 m／s，齒間局部渦流強(qiáng)度較低，石墨顆粒受到的沖擊較小，石墨顆粒在設(shè)備內(nèi)部可能主要發(fā)生塑性變形。導(dǎo)流圈區(qū)域流體流速波動(dòng)較大，顆粒在此區(qū)域碰撞幾率較高。

綜上可知，在氣流渦旋微粉機(jī)腔室結(jié)構(gòu)不變的情況下，錘頭轉(zhuǎn)速存在較優(yōu)值。根據(jù)本次模擬結(jié)果，錘頭轉(zhuǎn)速2 400 r／min和3 600 r／min時(shí)，石墨顆粒受到的沖擊較小，且導(dǎo)流圈區(qū)域流體流速波動(dòng)明顯，石墨顆粒球形化效率可能較高。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

實(shí)驗(yàn)原料為天然鱗片石墨（中位徑20.204μm）。

氣流渦旋微粉機(jī)主機(jī)電流穩(wěn)定后，將天然鱗片石墨加入氣流渦旋微粉機(jī)進(jìn)行球化。實(shí)驗(yàn)過程中控制石墨顆粒球化時(shí)間1 h，分級(jí)機(jī)頻率50 Hz，風(fēng)機(jī)風(fēng)量1 605 m3／h，并定時(shí)記錄氣流渦旋微粉機(jī)主機(jī)能耗等參數(shù)。記錄成品出料量，并測(cè)量成品的振實(shí)密度以及粒徑分布。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為分析出最佳錘頭轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證錘頭轉(zhuǎn)速對(duì)石墨顆粒球形化效率的影響，利用氣流渦旋微粉機(jī)進(jìn)行上述4種錘頭轉(zhuǎn)速下石墨球形化效率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1和圖7所示。錘頭轉(zhuǎn)速6 000 r／min和4 800 r／min時(shí)，石墨顆粒中位徑均有降低，振實(shí)密度增長緩慢，說明在此過程中石墨顆粒受到的沖擊較大，發(fā)生了較大程度的破碎，影響石墨顆粒的球形化進(jìn)程；錘頭轉(zhuǎn)速2 400 r／min時(shí)，石墨顆粒中位徑增至22.172μm，在此過程中石墨顆?？赡苤饕l(fā)生了片狀石墨的包覆，石墨顆粒受到的沖擊力還不足以實(shí)現(xiàn)緊實(shí)過程；錘頭轉(zhuǎn)速3 600 r／min時(shí)，石墨顆粒中位徑基本保持穩(wěn)定，產(chǎn)率較高，受到的沖擊大小更適合石墨顆粒的球化塑性變形。

表1 錘頭轉(zhuǎn)速對(duì)粒度及產(chǎn)率的影響

圖7 錘頭轉(zhuǎn)速對(duì)振實(shí)密度的影響

5 結(jié) 語

1）氣固兩相流體流經(jīng)導(dǎo)流圈區(qū)域時(shí)，因流動(dòng)面積減少會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模渦流，導(dǎo)致該區(qū)域流體流速波動(dòng)較大。增大該區(qū)域流體流速波動(dòng)會(huì)增大石墨顆粒與顆粒之間的碰撞幾率，提高石墨顆粒的球形化效率。

2）錘頭和齒圈之間的環(huán)形區(qū)域處會(huì)產(chǎn)生高速渦流，該區(qū)域流體流速梯度較大，石墨顆粒球形化主要發(fā)生在該環(huán)形區(qū)域內(nèi)。氣固兩相流體單齒內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生局部渦流，通過改變錘頭轉(zhuǎn)速和齒圈齒形結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)局部渦流強(qiáng)度。

3）氣流渦旋微粉機(jī)的錘頭轉(zhuǎn)速存在較優(yōu)值，錘頭轉(zhuǎn)速過大或過小均會(huì)影響石墨顆粒的球形化效率。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，錘頭轉(zhuǎn)速3 600 r／min時(shí)，石墨顆粒受到的沖擊較為合適，球形化效率最高。

4）利用歐拉多相流模型研究氣流渦旋微粉機(jī)內(nèi)部氣固流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有利于進(jìn)一步理解氣流渦旋微粉機(jī)的球形化機(jī)理，為設(shè)備優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)。