謝睿寧，張國(guó)旺，2，龍 淵，2

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

氣流微粉機(jī)（高速氣流沖擊球化法）是利用圍繞水平或垂直軸高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體（棒、錘、板等）在空氣的攜帶作用下，使物料與固定體碰撞或顆粒之間沖擊碰撞，從而使物料球化的一種超細(xì)粉碎設(shè)備［1］，它具有分級(jí)精度高、分級(jí)精度可調(diào)、產(chǎn)能較大等優(yōu)勢(shì)，在天然石墨、人造石墨和水泥顆粒球化整形處理領(lǐng)域廣泛使用［2-7］。傳統(tǒng)氣流微粉機(jī)在天然石墨顆粒粉體球化加工中存在球化率低、產(chǎn)率低、生產(chǎn)線(xiàn)長(zhǎng)、能耗高等問(wèn)題［8］。針對(duì)傳統(tǒng)氣流微粉機(jī)的結(jié)構(gòu)缺陷，開(kāi)發(fā)了新型氣流微粉機(jī)，在導(dǎo)流環(huán)、齒圈形狀、分級(jí)輪葉片數(shù)量、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)方面進(jìn)行了優(yōu)化。

Fluent軟件針對(duì)復(fù)雜流體的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)碾x散格式和數(shù)值解法，能高效解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題［9-11］。為了研究石墨顆粒在新型氣流微粉機(jī)中流動(dòng)的微觀特性以及氣流微粉機(jī)內(nèi)部整體流場(chǎng)的分布情況，本文借助Fluent流體仿真軟件對(duì)新型氣流微粉機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行建模，并應(yīng)用氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型對(duì)石墨顆粒以及空氣的混合相進(jìn)行替代模擬，初步揭示新型氣流微粉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律，可為后續(xù)裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 新型氣流微粉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分析及多相流選擇

新型氣流微粉機(jī)主機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖1。

圖1 新型氣流微粉機(jī)主機(jī)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)剖面圖

自然界和工程中會(huì)遇到大量的多相流問(wèn)題。多相流可分成4類(lèi)：氣液或液液流動(dòng)、氣固流動(dòng)、液固流動(dòng)和三相流動(dòng)。新型氣流微粉機(jī)腔室內(nèi)部是空氣和石墨顆粒的耦合流場(chǎng)，由Fluent多相流模型選擇原則（如表1所示）可知本文的數(shù)值模擬屬于氣固兩相流動(dòng)的粒子流類(lèi)型，選用歐拉（Euler）模型進(jìn)行后續(xù)的模擬仿真。

表1 Fluent多相流模型選擇原則

本文初步選定物料為中位徑D50＝17μm的石墨顆粒，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)新型氣流微粉機(jī)工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，將腔室內(nèi)部流場(chǎng)簡(jiǎn)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10 m／s，氣體入口等效管狀直徑0.2 m，腔室流場(chǎng)雷諾數(shù)計(jì)算式如式（1）所示。根據(jù)計(jì)算得出的雷諾數(shù)可以初步判定新型氣流微粉機(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。

式中Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度；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(zhǎng)度特征尺度）；μ為運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)。

2 內(nèi)部流場(chǎng)模型建立及網(wǎng)格劃分

首先在不影響流場(chǎng)的情況下利用三維建模軟件SolidWorks建立新型氣流微粉機(jī)實(shí)體簡(jiǎn)化模型，并利用meshing功能對(duì)粉碎盤(pán)、齒圈和分級(jí)輪附近的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，增加網(wǎng)格數(shù)量、提高求解精度，適當(dāng)減少進(jìn)氣口以及出料口等區(qū)域網(wǎng)格的數(shù)量，最后對(duì)網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行命名。網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 新型氣流微粉機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

3 邊界條件設(shè)置

邊界條件的設(shè)置直接影響流場(chǎng)問(wèn)題分析的準(zhǔn)確性。Fluent計(jì)算域中同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)和靜止區(qū)域時(shí)，存在靜止、旋轉(zhuǎn)或平移幾種情況。本文所進(jìn)行的Fluent模擬中錘頭-粉碎盤(pán)區(qū)域與壁面以及分級(jí)輪區(qū)域與壁面都屬于前者相對(duì)后者為定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要利用多參考模型（MRF）進(jìn)行求解，具體邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 區(qū)域及邊界類(lèi)型設(shè)置

4 新型氣流微粉機(jī)內(nèi)部整體流場(chǎng)數(shù)值模擬

選用錘頭轉(zhuǎn)速3 800 r／min、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭數(shù)量12個(gè)、錘頭與齒圈之間間隙9 mm進(jìn)行新型氣流微粉機(jī)內(nèi)部氣固兩相流流場(chǎng)分析，結(jié)果如圖3～5所示。由圖3～4可以看出，整體兩相流流動(dòng)過(guò)程較為平衡，且分布較為均勻，只有在進(jìn)風(fēng)口、高速錘頭、分級(jí)輪、出料口附近等區(qū)域發(fā)生了速度突變。氣流從底部進(jìn)氣口進(jìn)入腔體，在球化室內(nèi)粉碎盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下產(chǎn)生高速流場(chǎng)，進(jìn)而上升到分級(jí)輪區(qū)域，最后在除塵設(shè)備負(fù)壓吸力的作用下進(jìn)入除塵系統(tǒng)。由圖5可知，在錘頭周邊區(qū)域兩相流的速度明顯高于其他區(qū)域，由此可判斷石墨顆粒在此區(qū)域受到明顯的沖擊力作用，獲得高速的初始速度。因在錘頭撞擊和離心力的共同作用下石墨顆粒往齒圈區(qū)域移動(dòng)，此飛行過(guò)程有一定的能量與速度損失，因此到達(dá)齒圈時(shí)速度有所降低。綜上，在球化區(qū)域內(nèi)，錘頭和齒圈流體速度變化梯度較大，且有明顯的受沖擊、旋轉(zhuǎn)的作用力，可推斷石墨顆粒的破碎、球化主要集中在此區(qū)域內(nèi)。

圖3 氣固兩相流速度流線(xiàn)圖

圖4 中心截面氣固兩相速度云圖

圖5 球化區(qū)域氣固兩相流體流速分布云圖

5 新型氣流微粉機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬

5.1 導(dǎo)流環(huán)對(duì)流場(chǎng)的影響

錘頭轉(zhuǎn)速3 800 r／min、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭數(shù)量12個(gè)、錘頭與齒圈之間間隙9 mm條件下，分別以有無(wú)加裝導(dǎo)流環(huán)為變量，進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6所示。選取新型氣流微粉機(jī)主機(jī)截面作為壓力云圖觀測(cè)截面，可明顯看出裝有導(dǎo)流環(huán)的主機(jī)在球化區(qū)域尤其是錘頭齒圈附近的氣壓明顯更高，由此可推斷在導(dǎo)流環(huán)的回流作用下，更多氣流從分級(jí)輪處回流到球化區(qū)域，且導(dǎo)流環(huán)所在區(qū)域空間更狹小，使得球化區(qū)域氣流壓力增大。

圖6 有無(wú)導(dǎo)流環(huán)主機(jī)內(nèi)部壓力云圖

有無(wú)安裝導(dǎo)流環(huán)條件下球化區(qū)域平面湍動(dòng)能變化曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可知，安裝有導(dǎo)流環(huán)的主機(jī)整體湍動(dòng)能都要低于沒(méi)安裝導(dǎo)流環(huán)的情況，特別在X＝0 m處（即導(dǎo)流環(huán)下方區(qū)域），說(shuō)明在此區(qū)域上升氣流與回流氣流的相互碰撞更為劇烈，導(dǎo)致剩余能量減小，湍動(dòng)能降低。X＝0.20 m的區(qū)域?yàn)殄N頭區(qū)，顆粒與錘頭在此區(qū)域的碰撞相比于其他區(qū)域更加劇烈，能量損耗更大，顆粒與氣流的剩余能量更少，因此在此區(qū)域內(nèi)湍動(dòng)能會(huì)有明顯下降的趨勢(shì)。綜上分析，在新型氣流微粉機(jī)主機(jī)內(nèi)安裝導(dǎo)流環(huán)有利于增強(qiáng)氣流在腔體內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，使得石墨顆粒與顆粒、顆粒與錘頭和齒圈的碰撞概率增大，石墨顆粒的球化效率更高。

圖7 有無(wú)安裝導(dǎo)流環(huán)條件下球化區(qū)域平面湍動(dòng)能變化曲線(xiàn)

5.2 錘頭與齒圈間隙對(duì)流場(chǎng)的影響

錘頭轉(zhuǎn)速3 800 r／min、分級(jí)輪轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭數(shù)量12個(gè)條件下，對(duì)不同錘頭與齒圈之間間隙的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)粉碎盤(pán)Y＝0.37 m處X軸直線(xiàn)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，從X＝0.20 m處開(kāi)始，氣固兩相流體流速隨著錘頭高速旋轉(zhuǎn)而迅速提升。X＝0.25～0.30 m區(qū)域，流體同時(shí)受到錘頭與齒圈的相互作用，隨著齒圈與錘頭之間距離增大，此區(qū)域內(nèi)流體最大流速逐漸降低。錘頭與齒圈之間的區(qū)域?yàn)樘烊击[片石墨主要球化區(qū)域，而氣固兩相流的流速直接決定了此區(qū)域內(nèi)渦流的強(qiáng)度，因此減小錘頭與齒圈的間隙可增大錘頭與齒圈之間的渦流強(qiáng)度，進(jìn)而提升天然鱗片石墨球化效率。

圖8 X軸方向上球化室內(nèi)氣固兩相流流速變化曲線(xiàn)

6 實(shí)驗(yàn)研究

6.1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

實(shí)驗(yàn)原料為天然鱗片石墨（D50＝72.045μm，固定碳含量為95.04%，普通灰分為3.91%）。實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備為新型氣流渦旋微粉機(jī)系統(tǒng)，測(cè)量?jī)x器包括振實(shí)密度測(cè)試儀（丹東百特BT-302型）和激光粒徑分析儀（歐美克LS-609型）。待新型氣流渦旋微粉機(jī)主機(jī)、除塵等設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，將天然鱗片石墨通過(guò)真空上料機(jī)加入新型氣流渦旋微粉機(jī)進(jìn)行球化。

6.2 有無(wú)安裝導(dǎo)流環(huán)實(shí)驗(yàn)研究

單次給料量5 kg、石墨顆粒球化時(shí)間6 min、分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭與齒圈間隙5 mm、齒圈角度45°、錘頭數(shù)量12個(gè)，有無(wú)安裝導(dǎo)流環(huán)對(duì)成品中位粒徑及成品率的影響分別如表3和圖9所示。

表3 成品中位粒徑與成品率隨錘頭轉(zhuǎn)速變化情況

圖9 主機(jī)電機(jī)電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

由表3可知，安裝導(dǎo)流環(huán)的主機(jī)，在相同的轉(zhuǎn)速下可通過(guò)更短的球化時(shí)間達(dá)到相近的粒度，且振實(shí)密度更高，整體成品率更高，石墨顆粒中位粒徑可達(dá)到35.97μm，振實(shí)密度達(dá)到0.924 g／cm3，成品率64.8%。由圖9可知，在相同主機(jī)頻率下，安裝導(dǎo)流環(huán)的主機(jī)電機(jī)電流比未安裝導(dǎo)流環(huán)的主機(jī)電機(jī)電流更大。這是由于安裝導(dǎo)流環(huán)后，會(huì)有更多未通過(guò)分級(jí)輪的石墨顆粒在導(dǎo)流環(huán)的引導(dǎo)作用下回到粉碎盤(pán)附近，此時(shí)粉碎盤(pán)受到負(fù)載更大，所需電流則更大。未安裝導(dǎo)流環(huán)時(shí)，石墨顆粒在球化腔體內(nèi)做自由運(yùn)動(dòng)，懸浮在空中，石墨顆粒無(wú)法與錘頭和齒圈進(jìn)行充分碰撞，粉碎盤(pán)負(fù)載減小，主機(jī)所需電流減小。綜上，選擇安裝導(dǎo)流環(huán)更有利于石墨顆粒在主機(jī)內(nèi)進(jìn)行球化加工。

6.3 錘頭與齒圈間隙實(shí)驗(yàn)研究

單次給料量5 kg、石墨顆粒球化時(shí)間6 min、分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭與齒圈間隙5 mm、安裝導(dǎo)流環(huán)、齒圈角度45°、錘頭數(shù)量12個(gè)，錘頭與齒圈間隙對(duì)成品中位粒徑D50及成品率的影響見(jiàn)圖10。由圖10可知，石墨顆粒中位粒徑和成品率均隨著錘頭與齒圈間隙增大而增大。當(dāng)錘頭與齒圈間隙為5 mm時(shí)，球形石墨成品中位粒徑可達(dá)到35.97μm，當(dāng)錘頭與齒圈間隙為10 mm時(shí)，錘頭與齒圈距離較大，石墨顆粒在受到錘頭沖擊后到達(dá)齒圈之前的行程較長(zhǎng)，能量損失較大，且此過(guò)程中部分顆粒會(huì)被高速氣流帶動(dòng)而離開(kāi)球化區(qū)域，受到的沖擊力不充分，最終導(dǎo)致石墨顆粒粉碎和球化概率、效率降低，同時(shí)也驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。宜選擇錘頭與齒圈間隙5 mm進(jìn)行石墨球形化加工。

圖10 成品中位粒徑和成品率隨錘頭齒圈間隙變化曲線(xiàn)

7 結(jié) 論

1）新型氣流微粉機(jī)內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬結(jié)果表明，整體兩相流流動(dòng)過(guò)程較為平衡，且分布較為均勻，只有在進(jìn)風(fēng)口、高速錘頭、分級(jí)輪、出料口附近等區(qū)域發(fā)生速度突變；球化區(qū)域內(nèi)錘頭和齒圈流體速度變化梯度較大，石墨顆粒的破碎、球化主要集中在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。

2）是否安裝導(dǎo)流環(huán)主要影響球化效率和成品率，加裝導(dǎo)流環(huán)有利于內(nèi)部流場(chǎng)的循環(huán)以及上升氣流的回落，可增大球化室內(nèi)氣壓，進(jìn)而增大石墨顆粒的球化及破碎概率。錘頭與齒圈間隙主要影響石墨顆粒成品中位粒徑和振實(shí)密度。