涡流空气分级机工艺参数对窄级别产品粒径分布和产率的影响

张胜林，谌永祥，李双跃

（西南科技大学制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

随着现代工业的高速发展，对粉体的要求越来越严格，主要表现在两个方面。第一，粒度要求更细，如电视机用黑底石墨乳的粒度要求小于lμm；用于节能减磨添加剂的石墨平均粒度要求为0.5μm。第二，除粒度要求细外，粉体的粒度组成要求也十分严格，这在磨具磨料行业表现尤其突出。如W 25（磨料）对粒度的要求如表1；又如，在水泥工业上，对3～30μm的颗粒的含量要求为普通硅酸盐水泥为 40%～50%，高快硬硅酸盐水泥为50%～60%，超高快硬硅酸盐水泥为大于 70%[1]。它们对颗粒的要求特点是既限制粒度上限，又限制粒度下限，即所谓的窄级别产品。显然，产品质量标准对粗粒和细粒的含量均提出了严格的限制。

表1 W 25（磨料）的粒度要求

近年来，关于窄级别的研究更多的是对超细窄级别的研究[2-5]，而对粒径分布在任意狭窄区间的窄级别产品的研究文献报道较少。要想通过一次分级获得窄级别产品，在现有分级机的水平上是很难实现的，而两次分级的配合则可以很好地解决这一难题，即利用第一级分级来分离原料中的大颗粒，第二级分离原料中的细颗粒。本文通过实验研究这种涡流空气分级机的窄级别实验系统，用于磨料等窄级别粉体的生产，以期对窄级别产品的生产提供依据。

1 实 验

1.1 实验装置

实验采用的装置如图1所示，由喂料部分、打散部分、第一级分级部分、第二级分级部分和物料收集部分5个主要部分构成，以分级系统和收集系统为基础，外加打散部分和翻板阀。

该实验系统的运行流程为：原料经螺旋喂料机2进入打散机构3，打散机构对物料进行打散、分散。分散后的物料被送到一级旋风收尘器 4，物料被初次分选。大部分物料经翻板阀5进入第一级分级机7进行第一次分级，一级收料袋8得到一号产品。分级后的物料经二级旋风收尘器9进入第二级分级机10，物料被第二次分级，二级收料袋12得到二号产品。最终的细粉和两极旋风收尘器的细粉被袋式收尘器14收集，为三号产品。离心风机Ⅰ13为第二级分级机提供二次风，离心风机Ⅱ16让整个实验系统在负压下进行。另外，第一、第二级分级机均设有转速计 6，以测量转笼转速。在第二级分级机的二次风口处设有测速仪11，以测量二次风的大小。在离心风机的出口处和两个旋风收尘器之间均设有阀门15，以调节风量。

1.2 实验仪器

实验中所采用的仪器如下：

图1 涡流空气分级机的窄级别实验系统

激光粒度分析仪，LS-13-320型，美国贝克曼库尔特有限公司；智能热球式测速仪，ZRQF-D30J型，北京检测仪器有限公司；超声清洗器，BK系列，济南巴克超声波科技有限公司；电动机转速计，SZC-04B型，无锡市兴洲仪器仪表有限公司；电子天平，常熟JJ精仪厂；打散机，Yl12M一2型，山东红卫电机股份有限公司；分级机，O-Sepa选粉机，型号N-350。

1.3 实验原料

实验原料采用重质碳酸钙和水泥生料，粒度组成列为表2。

表2 重质碳酸钙和滑石粉原料粒度组成

1.4 实验条件

涡流空气分级机颗粒切割粒径公式见式（1）[6-8]。

由式（1）可知：在分级机结构参数和风量确定的条件下，切割粒径由转笼转速决定。设定第一级分级机转笼转速为n1，对应切割粒径为d1，理论上，第二级分级机可以获得粒径分布为0～d1的原料。同理，设定第二级分级机转笼转速为 n2（n2＞n1），对应的切割粒径为d2，粒径分布在0～d2的颗粒进入转笼被袋式收尘器收集。粒径分布在d2～d1的颗粒由于受到较大的离心力而被二级收料袋收集，成为窄级别产品。由此可见，窄级别产品的粒径的分布范围d2～d1由两级分级机的转速差来决定。

需要注意的是：第二级分级机的转速n2必须大于第一级分级机n1，否则进入第二级分级机的物料由于离心力不足而全部进入转笼，二级收料袋将收集不到任何物料，获得窄级别产品就无从谈起[9]。

另外，二次风能分散物料，抑制细粉团聚，防止细粉进入二级收料袋。所以第二级分级机的二次风速对改善窄级别产品的粒度分布具有重要意义。

根据以上分析可知，在涡流空气分级机的窄级别实验系统基础上。决定产品粒度分布的主要工艺参数为：两级分级机的转速差和第二级分级机的二次风速。由此设定实验工艺参数如表3所示。

1.5 实验方法

实验时每次称取15kg原料，按表3所示的工艺参数进行实验。转笼转速由SZC-04B型电机转速计测量，分级机二次风速由ZRQF-D30J型智能热球式测速仪测量。每次实验后将三处收料袋收集到的产品进行称重，对二级收料袋中的产品进行取样，由LS-13-320型激光粒度分析仪测定其粒度组成。

2 实验结果与分析

实验结果如表4所示，为了直观地反应实验结果，根据实验结果绘制如图3～图5所示的粒径分布曲线图。

2.1 转速差对窄级别产品粒径分布的影响

表3 工艺参数表

图3为在二次风速均为10m/s的条件下，不同的转速差对窄级别产品粒径分布的影响。可以看出，各转速差下的产品粒径分布曲线近似成正态分布，

并且都比原料的粒径分布曲线窄。进一步观察发现，随着转速差的减小，两种原料的粒径分布曲线都变窄，且曲线的极大值都右移。因为实验F-1、F-2、F-3的两级分级机的转速组合为1000～1400r/m in、1000～1800r/m in、1000～2200r/m in，由转速和切割粒径成反比可知，第一级分级机的切割粒径d1都相等，而第二级分级机的切割粒径d2,F-3＜d2,F-2＜d2,F-1，则 d1－d2,F-3＞d1－d2,F-2＞d1－d2,F-1，所以随转速差的减小，产品的粒径分布曲线变窄并且极大值右移。

表4 重质碳酸钙产品产量以及粒度组成表

图3 二次风速相同的条件下转速差对窄级别产品粒径分布的影响（v=10m/s）

图4 转速差和二次风速相同的条件下两种物料的窄级别产品的粒径分布曲线（Δn=400r/m in，v=10m/s）

图5 转速差相同的条件下二次风速对窄级别产品粒径分布的影响（Δn=400r/min）

图4为转速差和二次风速相同的条件下两种物料的窄级别产品的粒径分布曲线。可以看出，两种物料的3组实验的粒径分布曲线都较窄，粒径分布均较集中，产品的平均粒径按F-6、F-4、F-1的顺序增大。考究其原因，F-6、F-4、F-1的转速组合为1800～2200r/m in、1400～1800r/m in和 1000～1400r/min，其转速差均为400r/m in，较小，所以粒度曲线都较窄。又因为第一级分级机的转速按1800r/m in、1400r/min、1000r/m in的顺序递减，第二级分级机转速按2200r/m in、1800r/min、1400r/m in的顺序递减，根据转速跟切割粒径的关系可知，当两级分级机转速同时减小时，窄级别产品的平均粒径变大。

由以上分析可知，在其他参数不变的条件下，可以同时增大或减小两级分级机的转速，可以获得不同平均粒径的窄级别的产品，可以满足任意狭窄区间的窄级别产品的要求，从而满足产品对粒径分布在不同狭窄区间的要求。

2.2 二次风速对窄级别产品粒径分布的影响

图5为转速差相同的条件下二次风速对窄级别产品粒径分布的影响。可以看出，随着二次风速的增大，两种原料的产品的粒度分布曲线都变窄，粒度分布更加集中，并且水泥生料的粒度分布曲线变得更窄。这是由于在分级的过程中，细粉和超细粉夹杂、团聚现象很严重，由于“鱼钩”效应[10-13]，大量的细粉进入到下锥体，对产品的窄级别产生了严重影响。而二次风的增加，加强了物料的分散，有效地减弱了细粉的团聚，使混入产品的细粉大大减少，产品的窄级别质量大大提高。又由于水泥生料比重质碳酸钙更容易团聚，二次风速对其分散作用更强，所以水泥生料产品的粒度分布曲线变得更窄。

2.3 窄级别产品的产率、均匀度和转速差的关系

为了考察窄级别产品的产率、均匀度和转速差的关系，增设实验：在喂料量为15kg和二次风量为10m/s的条件下，调节两级分级机的转速为：1000～1200r/m in、1000～1600r/m in、1000～2000r/min，其余步骤与前文一致。实验结果如下。

图6 窄级别产品的产率、均匀度和转速差的关系

从图6可以看出，窄级别产品的产率随转速差的减小而降低，均匀度随转速差的减小而增加，即产品的粒度分布变窄。则随着产品的粒度分布越窄，产品的产率越低。为了解决产品的产率和均匀度之间的矛盾，在给定窄级别产品粒径分布要求的条件下，逐渐增大转速差到满足要求为止，此时对应的转速差为最佳转速差Δn0，在此转速差下制备的窄级别产品的质量和产率要求均能得到保证。

3 结 论

（1）两级分级机的转速差决定了获得的窄级别产品粒径的分布范围，转速差越小，粒径分布范围越窄。转速差越大，粒径分布范围越宽。为了满足不同狭窄区间的窄级别产品的要求，可以同时增大或者减小两级分级的转速，即可获得不同平均粒径的窄级别的产品。

（2）二次风速对改善窄级别产品的粒径分布具有重要意义，随着二次风的增大，产品中的细粉明显减少，粒径分布变窄，分级机的效率大大增加。由于水泥生料比重质碳酸钙更容易团聚，二次风速对其分散作用更强，水泥生料的粒度分布曲线变得更窄。

（3）窄级别产品的产率随转速差的减小而降低，均匀度随转速差的减小而增加。增加转速差到刚好不能满足产品的窄级别要求为止，此时对应的转速差为最佳转速差Δn0，在此转速差下生产得到的窄级别产品能同时保证粒径分布和产率要求。

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