单颗粒橡胶球撞击破碎的实验研究

许晓飞 王文强 王晓娟 刘凤霞 魏 炜 刘志军

(大连理工大学流体与粉体工程研究设计所)

单颗粒橡胶球撞击破碎的实验研究

许晓飞 王文强 王晓娟 刘凤霞 魏 炜 刘志军

(大连理工大学流体与粉体工程研究设计所)

对天然橡胶球进行单颗粒、低温撞击破碎实验，通过分析破碎产物的粒度分布，考察颗粒的撞击速度、破碎温度、板靶撞击角度和橡胶球初始粒径对破碎过程的影响规律。结果表明：颗粒撞击速度和破碎温度对天然橡胶球破碎产物粒度分布的影响最大；撞击角度在0～45°之间变化时，撞击角度对破碎产物的粒径分布影响不显著；颗粒的初始粒径越小，破碎产物中细颗粒所占的百分比越大。

橡胶球 低温撞击 破碎 粒径分布

颗粒在气力输送系统中的破碎程度取决于颗粒的材料、颗粒之间的相互作用、颗粒与管道的相互作用和颗粒在系统中的运动情况。然而在使用一般工厂管道的情况下，很难分离出这些变量获得有意义的结果去解决颗粒破碎的问题[1]。单颗粒撞击破碎实验可以通过分别单独考虑各因素的影响来克服以上问题，可以掌握颗粒在高速气流中的加速规律和破碎规律[2]。Salman A D等研究了可以预测颗粒运动轨迹的数学模型[3]。结合单颗粒撞击破碎研究和相关数学模型，可以更加深入地了解和预测颗粒在气力输送系统中的破碎过程。在研究破碎机理的相关文献中单颗粒撞击破碎的问题也得到了广泛的关注[4～6]。在大多数情况下，实验都是采用压缩空气加速单个颗粒撞击固体板靶，实现撞击破碎[7，8]。还有一些研究将颗粒的破碎概率与颗粒撞击速度关联起来[9]。目前学者们主要针对矿石、陶瓷等无机脆性材料进行了大量单颗粒破碎实验研究[10～12]，但对橡胶等高聚物的撞击破碎实验研究尚少。

对橡胶等高聚物破碎的实验研究，不仅是为了考察它在气力输运系统中的破碎程度，更重要的是通过掌握橡胶破碎细化过程中各操作参数对破碎过程的影响规律，实现橡胶废弃物的高效回收[13]。笔者主要是对天然橡胶球进行单颗粒低温撞击破碎实验，考察撞击速度、破碎温度、撞击角度和橡胶球初始粒径对破碎产物粒度分布的影响规律。通过橡胶球单颗粒低温撞击破碎的实验研究，可以更加深入地理解橡胶颗粒在气力输送和低温粉碎回收过程中的破碎规律，对降低输运损耗、优化回收过程从而实现节能具有借鉴意义。

1 实验方案

1.1 实验装置

笔者建立了一套天然橡胶颗粒球低温冲击破碎实验系统(图1)。实验系统主要利用低温高压的气流在加速管中加速膨胀的原理，获得超音速的低温气流，带动橡胶颗粒球以高速度撞击板靶，实现橡胶球低温撞击破碎。如图1所示，压缩空气经拉瓦尔喷嘴膨胀加速成超音速气流，产生引射作用将进料装置中的橡胶球吸至加速管中；同时，在加速管中通入液氮，通过控制液氮的注入流量调节加速管中的气流温度。高速低温的气流带动橡胶球在加速管中加速运动，最终以很高的速度撞向板靶，实现撞击破碎。采用高速摄影拍摄橡胶球与板靶的碰撞过程，经数字图像处理获得橡胶球的撞击速度。破碎后的物料通过筛分法、称量法及显微镜法等方法进行粒度测定。

图1 撞击破碎实验装置示意图

为了获得不同的撞击速度，选用3种不同长度的不锈钢加速管(φ14mm×2mm)，长度分别为600、1 000、1 400mm。在短管中，橡胶颗粒在加速管中加速时间短，所以撞击速度相对较小；而在长管中，颗粒加速时间长，可以获得相对较大的撞击速度。板靶是3mm厚的不锈钢板，通过调节板靶的位置可以控制橡胶球与板靶的撞击角度。收集料斗选用30mm×30mm×50mm的有机玻璃容器，不仅有助于利用高速摄影拍摄撞击过程，还可以有效收集破碎的橡胶颗粒。

1.2 实验方法

笔者主要讨论撞击速度u、破碎温度T、颗粒的初始粒径d0和板靶撞击角度α这4个因素对橡胶球破碎过程的影响。实验选用的橡胶颗粒为无锡速必顶密封有限公司生产的天然橡胶球，直径分别为3、5、7mm，其玻璃化转变温度为-61℃。实验选择撞击速度控制在30～100m/s间，具体设定30～50m/s、50～70m/s和大于70m/s这3个范围。破碎温度控制在-60～-130℃内，具体设定为-60～-90℃、-90～-120℃和低于-120℃这3个范围，撞击角度α选为0、30、45、60°。表1列出了具体的实验参数。每组实验低温破碎10个橡胶球，然后收集破碎产物进行粒径分析。

表1 实验参数

2 实验结果与讨论

2.1 撞击速度对破碎产物粒度分布的影响

图2给出了不同的撞击速度下破碎产物的粒度分布情况。由实验E002、E003、E006、E007和E011可知，这5组实验的破碎温度均在-100℃左右，颗粒的初始粒径为5mm，撞击速度的变化范围在30～100m/s之间。从图2可以看出，随着撞击速度的增加，小颗粒所占的百分比越来越大，橡胶球的破碎效果越好。图3表示E002、E003、E006、E007和E011共5组实验给定特征粒径(df分别取0.4d0、0.6d0)的负累积产率与撞击速度之间的关系曲线。由图3可知，在温度不变的条件下，撞击速度越大，破碎产物给定的特征粒径的负累积产率越大；换言之，撞击速度越大，破碎产物中小颗粒所占的比例也越大。在撞击速度范围为30～70m/s时，特征粒度对应的负累积产率变化幅度较大，在70m/s以后，速度变化对特征粒径对应的负累积产率影响变小。所以，撞击速度对橡胶球破碎产物粒度影响较大；速度越大，细颗粒越多。但是，破碎温度如果高于橡胶的玻璃化转变温度，即使撞击速度再大颗粒也很难破碎。

图2 不同撞击速度下破碎产物的粒度分布

图3 撞击速度与负累积产率关系曲线

2.2 破碎温度对破碎产物粒度分布的影响

图4表示不同的破碎温度下破碎产物的粒度分布。由实验E005、E006、E007、E008和E009可知，橡胶颗粒的初始粒径为5mm，撞击速度控制在65m/s左右，橡胶球与板靶的撞击角度为0°，温度在-60～-120℃变化。从图4可以看出，破碎温度对橡胶颗粒破碎产物的粒度分布影响非常大。温度越低越有利于破碎，破碎产物细颗粒所占的比例也就越大。图5给出了E005、E006、E007、E008和E009共5组实验特征粒径(df分别取0.4d0、0.6d0)的负累积产率与撞击速度之间的关系曲线。由图5可知，在撞击速度和初始粒径不变的情况下，破碎温度越低，破碎产物给定的特征粒径的负累积产率越大，破碎产物中小颗粒所占的比例越大。在破碎温度范围为-60～-100℃时，特征粒度对应的负累积产率变化幅度较大；在-100℃以后，温度变化对特征粒径对应的负累积产率影响减小。在实际生产中，应将破碎温度控制在橡胶的玻璃化转变温度以下进行破碎；而破碎温度低于-100℃，继续降低温度对破碎效果影响不显著。

图4 不同破碎温度下破碎产物粒度分布

图5 破碎温度与负累积产率的关系曲线

2.3 撞击角度对破碎产物粒度分布的影响

图6表示不同的撞击角度下破碎产物的粒度分布。由实验E005、E013、E014和E015可知，橡胶颗粒的初始粒径为5mm，撞击速度控制在65m/s左右，温度在-120℃左右，与不锈钢板靶的撞击角度分别为0、30、45、60°。图7表示E005、E013、E014和E015共4组实验给定特征粒径(df分别取0.4d0、0.6d0)的负累积产率与撞击角度之间的关系曲线。由图7可知，在撞击速度、初始粒径和破碎温度一定时，撞击角度越大，破碎产物给定特征粒径的负累积产率越大。撞击角度在0～45°之间变化时，撞击角度对破碎产物的粒径分布影响不突出，给定特征粒径的负累积产率基本不变；当撞击角度大于45°时，继续增大橡胶球与板靶的撞击角度，会影响橡胶球的破碎效果，给定特征粒径的负累积产率增幅较大。

图6 不同撞击角度下破碎产物粒度分布

图7 撞击角度与负累积产率的关系曲线

2.4 颗粒初始粒径对破碎产物粒度分布的影响

图8表示不同颗粒初始粒径下破碎产物的粒径分布。由实验E016、E001和E018可知，撞击速度控制在100m/s左右，破碎温度在-120℃左右，与不锈钢板靶的撞击角度为0°，撞击颗粒的初始粒径分别为3、5、7mm。由图8可知，在撞击速度、撞击角度和破碎温度一定的情况下，颗粒的初始粒径越小，破碎产物中细颗粒所占的百分比越大，颗粒破碎得越细；对于大颗粒，如果撞击速度足够大，也可以达到同样的细度。

图8 不同颗粒初始粒径下破碎产物粒度分布

3 结论

3.1 撞击速度越大，所得到的破碎产物细颗粒所占比例越大。撞击速度达到70m/s以后，撞击速度的继续增大对破碎产物影响变小。

3.2 温度越低越有利于破碎，破碎产物细颗粒所占的比例越大。破碎温度低于-100℃时，继续降低温度对破碎产物粒度分布的影响不显著。

3.3 颗粒与板靶的撞击角度在0～45°之间变化时，撞击角度对破碎产物的粒径分布影响不突出。

3.4 撞击速度、撞击角度和破碎温度一定时，橡胶球的初始粒径越小，破碎形成的颗粒越细。

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ExperimentalStudyofImpactFragmentationofSingleParticleRubberBall

XU Xiao-fei, WANG Wen-qiang, WANG Xiao-juan, LIU Feng-xia, WEI Wei, LIU Zhi-jun
(R&DInstituteofFluidandPowderEngineering,DalianUniversityofTechnology)

The pulverization of single particle natural rubber ball was studied based on the cryogenic impact experiments. Through investigation of the size distribution of the crushed product, the influence of impact speed, grinding temperature, initial particle size and impact angle on the particle fragmentation were studied. It is found that the particle’s impact speed and grinding temperature influence the size distribution of crushed natural rubber ball most; when the impact angle ranges from 0° to 45°, the impact angle influences the size distribution non-significantly; The percentage of small size particles in the crushed product increases with the decrease of the initial particle size.

rubber ball, cryogenic impact, pulverization, size distribution

中央高校基本科研业务费专项资金项目(DUT12ZD207)。

许晓飞(1981-)，讲师，从事多相流技术和设备的研究。

联系人刘志军(1969-)，教授，从事粉体流强化传热及节能技术与装备的研究，liuzj@dlut.edu.cn。

TQ332.5

A

0254-6094(2017)03-0261-06

2016-08-01，

2016-12-14)

(Continued from Page 244)

(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.)

AbstractThe application of different drying methods in coal-drying industry was described, including their effects in power plant, metallurgical industry and coal chemical industry. The future development of coal-drying technologies and any potential problem they have to be faced with were proposed so as to promote the efficient use of coals.

Keywordscoal-drying technology, coal moisture control, lignite drying, pulverized coal gasification, lignite pyrolysis