圆筒混合机内物料运动状态分析.docx
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圆筒混合机内物料运动状态分析
圆筒混合机内物料运动状态分析
圆筒混合机内烧结原料混合是否均匀、能否达到最佳的制粒效果,直接影响着烧结矿的质量和产量。
一、圆筒混合机内物料运动过程分析
1.筒体2.物料
图3-1物料受力情况
图3-1中物料所受重力为G,筒体对物料的支持力为N,物料所受摩擦力为F,其中摩擦力F=μN.
筒体转速为n(r/min),则其角速度为:
ω=πn/30(3-1)
β为物料位置和筒体中心的连线与竖直方向的夹角,称为物料提升角。
此时物料颗粒法线方向受力方程为:
N-mgcosβ=mω²R(3-2)
切向方向上受力方程为:
F-mgsinβ=0(3-3)
将F=μN和式(3-2)代入到式(3-3)中得
μ(mω²R+mgcosβ)-mgsinβ=0 (3-4)
可以看出随着物料的上升,β变大,N变小,F也变小,而重力在切线上的分量mgsinβ则变大。
不同性质的物料在圆筒混合机内的运动时,由于物料的不同性质以及筒体不同的转速、不同的填充率等工艺参数时,物料运功状态大致有六种状态。
分别为滑移、阶梯、滚动、小瀑布、大瀑布和离心。
下面将逐一对这六种状态进行阐述。
1.圆筒混合机内物料做滑移运动
当物料与筒体内壁的摩擦系数μ非常小,筒体对物料的摩擦力不足以使物料上升,物料做滑移运动。
如图3-2所示。
1.筒体2.物料轮廓面
图3-2滑移运动简图
在该位置提升物料所受重力的切向分量Gsinβ等于物料与筒体之间的滑动摩擦力F,即Gsinβ=F,此时达到了一种平衡,因为此时物料速度为零,物料保持不动(相对于地面)。
物料相对于筒体作滑移运动。
另外还有一种情况物料也作滑移运动,即理想情况,筒体与物料之间摩擦系数非常之小,可以忽略时。
物料所受的摩擦力为零,则物料置于筒体底部,保持不动(相对于地面)。
2.圆筒混合机内物料做阶梯运动
物料与筒体内壁的摩擦系数μ很小,筒体转速也很低,筒体能提供一定的摩擦力,但摩擦力较小,物料做阶梯运动,如图3-3所示。
图中ω为筒体转动角速度。
1.筒体2.物料轮廓面
图3-3阶梯运动简图
在筒体所提供的摩擦力的作用下,物料被筒体提升一定高度。
在此位置提升物料所受重力的切向分量Gsinβ等于物料与筒体之间的滑动摩擦力F,即Gsinβ=F。
此时物料有向上的一定速度,不可以忽略,物料在惯性作用下继续被提升一定高度,直到速度变为零。
此时Gsinβ>F,物料开始下降,到某一高度时Gsinβ=F时物料仍有一定速度,不可以忽略,物料在惯性作用下继续被下降,直到速度变为零。
此时Gsinβ 就这样物料做阶梯运动(相对于地面)。 物料作滑移运动和阶梯运动时,与固体运动无异,可将其等效为一实心物体,物体各部分不发生相对运动。 3.圆筒混合机内物料做滚动运动 物料与筒体内壁的摩擦系数μ较大,筒体转速较低时,物料被提升一定高度后,料面的倾角大于物料的休止角,圆筒混合机内物料做滚动运动,如图3-4所示。 图中ω为筒体转动角速度,v为物料向下滚落的速度。 1.筒体2.停滞层3.滚动层 图3-4滚动运动简图 开始时物料被筒体提升,直到物料与筒体速度一致。 此时物料与筒体之间的摩擦力F是静摩擦力,这是一个动态变化的量,物料与筒体之间无相对滑动。 随着提升高度的增加,物料与筒体之间的静摩擦力F也随着不断增加,但提升物料所受重力的切向分量Gsinβ一直等于物料与筒体之间的摩擦力F,即Gsinβ=F,物料与筒体之间无相对滑动。 直到物料面倾角达到物料休止角,,此时物料不再被提升,圆筒内物料之间有相对运动,不断有物料滚下,即所谓的物料做滚动运动。 物料分为两层: 滚动层和停滞层。 4.圆筒混合机内物料做抛落运动(小瀑布) 物料与筒体内壁的摩擦系数产较大,筒体转速较高时,物料达到一定速度以致被抛出,物料做抛落运动。 如图3-5所示。 1.筒体2.物料轮廓面 图3-5小瀑布(抛落)运动简图 开始时物料在摩擦力作用下被筒体提升,直到物料与筒体速度一致。 此时物料与筒体之间的摩擦力F是静摩擦力,这是一个动态变化的量,物料与筒体之间无相对滑动。 随着提升高度的增加,物料与筒体之间的静摩擦力F也随着不断增加,但提升物料所受重力的切向分量Gsinβ一直等于物料与筒体之间的摩擦力F,即Gsinβ=F,物料与筒体之间无相对滑动。 直到物料面倾角达到物料能够抛射的角度物料开始抛出,物料面倾角继续增大,直到到达物料休止角γ,物料面倾角保持不变,不断有物料抛出,达到了一种动态平衡,此时物料抛射面与下面移动面未分离,物料所做的运动被称为抛落运动(小爆布)。 物料可以分为二层: 对流层和停滞层。 5.圆筒混合机内物料做抛落运动(大瀑布) 物料与筒体内壁的摩擦系数μ较大,筒体转速较高时,物料被抛出,物料抛射面与下面移动面分离,圆筒混合机内物料做抛落运动(大瀑布),如图3-6所示。 1.筒体2.物料轮廓面 图3-6大瀑布运动简图 开始时物料被筒体提升,直到物料与筒体速度一致。 此时物料与筒体之间的摩擦力F是静摩擦力,这是一个动态变化的量,物料与筒体之间无相对滑动。 随着提升高度的增加,物料与筒体之间的静摩擦力F也随着不断增加,但提升物料所受重力的切向分量Gsinβ一直等于物料与筒体之间的摩擦力F,即Gsinβ=F,物料与筒体之间无相对滑动。 直到物料面倾角达到物料能够抛射的角度物料开始抛出,物料面倾角继续增大,直到到达物料休止角γ,达到了一种动态平衡,此时物料抛射面与下面移动面相分离,物料所做的运动被称为抛落运动(大瀑布)。 6.圆筒混合机内物料做离心运动 物料与筒体内壁的摩擦系数μ大,筒体转速非常高,超过临界值时,物料做离心运动。 物料随筒体一起转动,不能达到混合和制粒的目的,如图3-7所示。 物料所受的支持力始终大于0,不会做抛落运动,而是随筒体一起运动。 物料在筒体内部形成了一个环形区域。 1.筒体2.物料轮廓面 图3一7离心运动简图 临界转速,以Nc(r/min)表示。 其形式如下式所示 (3-5) 式中De——筒体有效直径(m) g——重力加速度(m/s²) 二、影响圆筒混合机混匀制粒的因素 1.混合料性质的影响 (1)粘结性粘结性大的混合料易于制粒,但对混合不利。 (2)粒度粒度差别大,易于产生偏析,难混匀,也不易于制粒;在粒度组成相同的情况下,多棱角和形状不规则的物料较较圆滑物料更易于制粒;混合料中大粒级比例减小,对混匀和制粒均为有利。 (3)混合料密度各组分的混合料密度相差过大,对混匀和制粒都不利。 2.添加水量的影响 混合过程中,添加的水适量有利于制粒。 水分过大,不但影响混匀,且对制粒也不利,所以添加水量必须严格控制。 通常最适宜的制粒水分与烧结的需求水分较为接近。 3.设备参数的影响 (1)混合时间加长混合时间,对混匀有利。 绝大多数原料混合时间都随混合时间的延长而提高了制粒率,也有个别矿粉到一定时间后恰好相反。 (2)简体转速筒体转速决定着混合料在圆筒内的运动状况,因而对混匀和制粒效果影响很大。 转速较低,很难混匀,也无法制粒;转速太高,混合料受到离心力太大,对混匀和制粒也不利。 尤其是筒体转速高到接近豁达于临界转速是,离心力作用使混合料紧贴于圆筒壁上,以致于完全失去混匀和制粒作用。 只有当转速适宜时,如图3-5所示混合料成小瀑布,作抛落状,各组分有充分机会接触机会,因此能取得良好的混匀效果。 一般情况下,一次混合机的转速n1=0.2~0.3Nc;二次混合机的转速n2=0.25~0.35Nc。 Nc为临界转速。 (3)填充率填充率是指筒内物料平均横截面积占筒体有效横截面积的百分比,用公式ψ(%)表示为: ψ= 100%(3-6) 式中A——物料横截面积(m²) De——简体有效直径(m) 混合机填充率对产量、混匀和制粒效果均有很大影响。 填充率过大,转速混合时间不变时,虽能提高产量,但此时料层增厚,混合料运动状态发生了变化,破坏了原来较为适宜的运动轨迹,对混匀和制粒产生不良影响;填充率过小,生产率不能满足生产需要。 填充率的确定须和转速协同考虑,使两者搭配合理,以获得适宜物料运动,才能提高混匀和制粒效果。 (4)筒体长度、直径既是决定混合机生产能力的主要参数,又直接关系到混匀和制粒效果。 直径的影响可从转速、填充率和混合时间几个参数中表示出来,长度主要影响混合时间,增加长度也就是增加了混合时间。 (5)安装倾角倾角也直接影响混合时间,倾角大,混合时间短;倾角小则混合时间变长。 三、物料混合过程最佳参数选择的研究 1.一次混合机的最佳参数选择 对于一次混合机来说,以混合为主,其运动方式以物料作抛落运动(小瀑布)为宜,这就要求物料提升角β必须大于90度。 此时物料颗粒能抛射条件为所受支持力N为0。 从而有如下关系: mω²r+mgcosβ=0(β>π/2)(3-7) 式中ω——筒体运转时的角速度(rad/s) r——物料所对应的旋转半径(m) 将式(3-7)两边消去m,可以得到如下方程: ω²r+gcosβ=0(β>π/2)(3-8) 对上式进行进一步整理,可以得到β与ω²r之间的关系: β=arccos(-ω²r/g)(3-9) 如果ω为己知定值,也可以得出β关于r的二维曲线。 由公式(3-9)可以画出二维抛射面曲线,如图3-9所示,所选用的坐标系是极坐标。 图3-8中极径为筒体的半径,极角为物料抛射角。 图3一8二维抛射面曲线 可以看出随着半径r的减小,抛射角β也随之减小。 物料抛射过程如图3-9所示。 下面对物料的抛射过程作一简单介绍。 物料在筒体的摩擦力作用下被提升。 物料运动过程中,物料料面与水平面所成的角的极限为物料的休止角。 当物料上端到达物料抛射面时,即图3-9中的A点,物料被抛出。 随着物料的不断的被提升,物料与抛射面相交的点越来越多,被抛射的物料也不断增多。 物料抛射点由A点沿物料抛射面向筒体中心移动,直到B点,即物料抛射面与物料休止角所对应料面的交点。 物料抛射达到最多,之后保持稳定。 1.简体2.物料抛射面3.物料休止角对应料面4.抛射曲线 图3-9抛射运动过程 物料处于滚动状态和大瀑布状态时混合效果不佳,而处于小瀑布时物料形成适宜的空间交合,各组分在抛落中有充分的接触机会,能够取得良好的混匀效果。 最佳参数为小瀑布与大瀑布的临近点。 体现在图3-9中即为可使图中空心位置填满。 2.二次混合机的最佳参数选择 对于二次混合机来说,除了继续混匀和水分微调外,主要作用为制粒,有时也进行通蒸汽预热混合料,使混合料在露点以上,以强化烧结过程。 其运动行式以物料作滚落运动为宜。 制粒效果最佳状态如图3-10所示 1.物料抛射面2.物料休止角对应料面 图3-10制粒效果最佳时物料位置简图 最佳参数的选择原则为: 对应一定的角速度,便可确定物料的抛射面;调整物料填充率,使得物料休止角所对应的料面到达抛落与滚落状态的临界点,此时滚动距离最长,制粒效果最佳。 如果填充率过大,物料则会做抛射运动,制粒效果不好。 如果填充率过小,物料仍处于滚动状态,但滚动距离较小,制粒效果不是最佳。
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