吳南星,趙增怡,花擁斌,程章云,劉玉濤,廖達海
(景德鎮(zhèn)陶瓷大學機械電子工程學院,江西景德鎮(zhèn) 333403)
隨著國家經濟的飛速發(fā)展,低碳和環(huán)保問題逐漸明顯。目前采用“球磨-噴霧”濕法制粉工藝[1-2]制備陶瓷粉體,此工藝為典型的高投入、高消耗、高污染、低效益的“三高一低”代表。旋轉流場式陶瓷干法制粉工藝[3-4]遵循國家節(jié)能減排戰(zhàn)略,在很大程度上能夠解決“三高一低”問題。旋轉流場式陶瓷干法制粉工藝制備的粉體存在級配不均勻、形狀不規(guī)格、組分不均勻等缺陷[5-6],導致燒結的坯體出現(xiàn)硬度低、有裂痕等現(xiàn)象[7],這在一定程度上制約了旋轉流場式陶瓷干法制粉在陶瓷行業(yè)制備車間的進一步推廣。如何攻克旋轉流場式陶瓷干法制粉制備的粉體級配不均勻難題是實現(xiàn)陶瓷低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展目標的重要課題之一[8-9]。
早在20世紀80年代,我國開始探知旋轉流場式陶瓷干法制粉工藝領域,并取得一定的成果[10]。其中,基于CFD歐拉-歐拉雙流體模型的建立,學者針對旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程制粉室內流場特性進行了研究。戴立軍等[11]基于歐拉-歐拉雙流體模型,應用CFX軟件對150 t單嘴精煉爐的精煉過程進行了數(shù)值模擬;于靜等[12]應用歐拉-歐拉雙流體模型,與動網格技術相耦合數(shù)值分析氣泡在往復流場內的分布規(guī)律及往復攪拌流場中氣體射流兩相流的流動特性;陳濤等[13]基于CFD中的歐拉-歐拉雙流體模型建立陶瓷干法制粉數(shù)學模型,模擬不同制粉室傾斜率對粉體級配的影響。在已有的研究基礎上,基于旋轉流場式陶瓷干法制粉過程歐拉-歐拉雙流體模型,數(shù)值分析造粒立柱直徑與粉體體積分布的關系,從而確定造粒立柱直徑對粉體級配的影響。同時搭建試驗平臺,實驗分析造粒立柱直徑對粉體級配的影響。模擬結果與實驗形成對比,以驗證數(shù)值模擬的準確性。這一研究成果對旋轉流場式陶瓷干法制粉工藝在陶瓷行業(yè)全面推廣具有一定的理論和實踐指導意義。
旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程中,充分攪拌加入到制粉室的原材料后,為實現(xiàn)粉體成型效果最優(yōu)化,向制粉室內緩慢加入制粉霧化液?;跉W拉-歐拉雙流體理論的制粉室數(shù)學模型建立,制粉混料過程中制粉室內存在粉體相和大氣相,且大氣相為主相,粉體相為副相。兩相在整個制粉室內均可視為分散的質點,每個質點相對獨立,擁有各自的溫度、速度和體積分數(shù)。粉體相和大氣相在制粉混合過程中相互滲透,故各相之間存在著連續(xù)的溫度、速度和體積分數(shù),且都遵守歐拉模型的運動方程和連續(xù)性方程[14-15]。
歐拉運動方程:
歐拉連續(xù)性方程:
式中:αx為 x相的體積分數(shù);ρx為 x相的密度;Uxi為 xi相的平均速度;Fxi為xi相的所受作用力;τxi為xi相的黏性應力;τxi為x相的紊動應力;xi為x軸i單元。
由于制粉室內部結構相對復雜,因此應用Pro-Engineer三維軟件構建制粉室內部結構模型,并結合ICEM軟件完成數(shù)值模擬的前處理,通過Fluent軟件完成制粉混料過程中的數(shù)值求解,分析造粒立柱直徑與粉體級配的影響。
1)造粒鉸刀結構
在旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程中,造粒鉸刀不停轉動致使制粉室內粉體攪拌充分。造粒鉸刀結構主要由主軸、粉碎鉸刀和造粒立柱3部分構成,其中造粒立柱可增加粉體與粉體之間的碰撞次數(shù),其直徑大小可保證粉體得到均勻地攪拌。具體造粒鉸刀結構示意圖如下圖1所示。
圖1 造粒鉸刀示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reamer
2)物理模型及邊界條件
由于造粒鉸刀特殊的攪拌性質,將制粉室內部區(qū)域可區(qū)分為2個不同的區(qū)域:一個區(qū)域為造粒立柱和粉碎鉸刀附近5 mm區(qū)域,設定為動計算區(qū)域;另一個區(qū)域為制粉室其他區(qū)域,設定為靜計算區(qū)域。整個制粉室處于封閉狀態(tài),將動區(qū)域和靜區(qū)域的分隔處設定為交界面,鉸刀、造粒立柱以及制粉室的內表面設定為墻體,霧化液噴嘴設定為噴頭,具體制粉室的物理模型及邊界條件如圖2所示。
圖2 物理模型及邊界條件Fig.2 Physical model and boundary conditions
3)網格劃分
造粒鉸刀的結構相對復雜,故對模型進行分塊劃分網絡以提高計算精度。動計算區(qū)域采用四面體網格Tet-Hybrid進行網格劃分,靜計算區(qū)域采用六面體網格Hex-Wedge進行網格劃分。動計算區(qū)域在滑移網格中計算,靜計算區(qū)域在多參考系中計算。如圖3、4所示,在動計算區(qū)域中,網格大小為4 mm,共生成27 676個網格;在靜計算區(qū)域中,網格大小為5 mm,共生成191 526個網格。
筆者針對旋轉流場式陶瓷干法制粉造粒立柱直徑對粉體級配的影響,分別模擬造粒立柱直徑依次為D1=68 mm、D2=70 mm、D3=72 mm時,制粉室內粉體體積分布情況,從而確定旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程造粒立柱直徑對粉體級配的影響。
圖3 動計算區(qū)域網格模型Fig.3 Grid model of dynamic domain
圖4 靜計算區(qū)域網格模型Fig.4 Grid model of static domain
旋轉流場式陶瓷干法制粉造粒立柱直徑對粉體級配的數(shù)值模擬結果制粉室軸向剖視云圖如圖5所示。
圖5 軸向粉體體積分布剖視云圖Fig.5 Sectional view of axial powder volume distribution
由圖分析可得,當造粒立柱直徑D1=68 mm時,粉體體積分數(shù)約占48%,粉體最大堆積度為0.50,堆積范圍廣,制粉室底部區(qū)域存在嚴重的堆積現(xiàn)象,粉體級配不均勻;當造粒立柱直徑D2=70 mm時,粉體體積分數(shù)約占51%,粉體最大堆積度不變,但堆積范圍縮小,制粉室底部區(qū)域無明顯堆積現(xiàn)象,相比于D1=68 mm時,此時粉體級配均勻;當造粒立柱直徑D3=72 mm時,粉體體積分數(shù)約占49%,粉體最大堆積度仍保持不變,但堆積范圍擴大,制粉室底部區(qū)域存在較嚴重的堆積現(xiàn)象,相比于D1=68 mm時和D1=70 mm時,此時粉體級配較均勻。由軸向剖視云圖對比分析可得,在旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程中,當造粒立柱直徑D1=70 mm時,粉體體積分數(shù)約占51%,粉體最大堆積度為0.50,堆積范圍最小,制粉室底部區(qū)域無明顯堆積現(xiàn)象,粉體級配最為均勻,制粉效果最佳。
旋轉流場式陶瓷干法制粉造粒立柱直徑對粉體級配的數(shù)值模擬結果制粉室徑向剖視云圖如圖6所示。
由圖分析可得,當造粒立柱直徑D1=68 mm時,粉體最大堆積度為0.50,堆積范圍廣,制粉室底部和右上側筒壁區(qū)域出現(xiàn)明顯堆積現(xiàn)象,粉體級配不均勻;當造粒立柱直徑D2=70 mm時,粉體最大堆積度為0.45,制粉室底部和右上側筒壁區(qū)域堆積現(xiàn)象消失,相比于D1=68 mm時,此時粉體級配均勻;當造粒立柱直徑D3=72 mm時,粉體最大堆積度為0.50,堆積范圍擴大,制粉室底部和右上側筒壁區(qū)域出現(xiàn)較明顯堆積現(xiàn)象,相比于D1=68 mm和D2=70 mm時,此時粉體級配較不均勻。由徑向剖視云圖對比分析可知,在旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程中,當造粒立柱直徑D2=70 mm時,粉體最大堆積度為0.45,制粉室內無明顯堆積現(xiàn)象,粉體級配最為均勻,制粉效果最佳。
圖6 徑向粉體體積分布剖視云圖Fig.6 Section view of axial powder volume distribution
采用多功能智能粉體物性測試儀(BT-1001型,丹東百特儀器有限公司)對制備的粉體進行分析,從而確定旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程造粒立柱直徑對粉體級配的影響。最終根據(jù)粉體級配情況,優(yōu)化造粒立柱直徑參數(shù),進而改善粉體級配。圖7所示為旋轉流場式陶瓷干法制粉造粒立柱直徑與粉體級配分布曲線圖。
圖7 造粒立柱直徑與粉體級配分布曲線圖Fig.7 Diameter of prilling column and distribution curve of powder gradation
由圖分析可得:當D1=68 mm時,有效粉體主要集中在>0.425~0.6 mm,且有效粉體占坯料粉體的81%;當造粒立柱直徑D2=70 mm時,有效粉體主要集中在>0.3~0.425 mm,且有效粉體占坯料粉體的87%;當造粒立柱直徑D3=72 mm時,有效粉體主要集中在>0.25~0.3 mm,且有效粉體占坯料粉體的77%。由實驗對比分析可得,當造粒立柱直徑D2=70 mm時,有效粉體占坯料粉體的比例最大為87%,且有效粉體粒徑呈正態(tài)分布,此時粉體級配最為均勻,制粉效果最佳。
1)當造粒立柱直徑為70 mm時,粉體體積分布約為51%,軸向云圖粉體最大堆積度為0.50,徑向云圖粉體最大堆積度為0.45,堆積范圍最小,制粉室底部區(qū)域無明顯堆積現(xiàn)象,粉體級配最為均勻。
2)當造粒立柱直徑為70 mm時,有效粉體占坯料粉體的比例最大為87%,且有效粉體粒徑呈正態(tài)分布,此時粉體級配最為均勻。
3)模擬結果與實驗基本吻合,驗證了數(shù)值模擬的準確性。采用造粒立柱直徑為70 mm可以有效改善旋轉流場式陶瓷干法制粉混料過程粉體級配,其研究成果為旋轉流場式陶瓷干法制粉粉體級配的改善提供了可靠的依據(jù)。
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