粉体颗粒的流动、堵塞与分聚行为研究

摘要

粉体(颗粒物质)是有别于固体、液体和气体的一类软物质,属于复杂流体,需要新的理论和方法对其进行研究和认识。粉体的屈服流动、堵塞和分聚行为与粉末冶金工艺中粉体的卸料、混合及装料等关键过程密切相关,直接影响粉末冶金生产过程和结果。因此,对粉体基本物性的研究和表征具有十分重要的科学价值和工程意义。
　　 为了探明粉体颗粒流动及堵塞特性、分聚机制及其影响因素,本文系统研究了几种不同形状和尺寸的干/湿颗粒物质在低速转鼓中的流动、流经低于临界尺寸瓶颈的临界堵塞转变,以及双组元颗粒在堆积斜面装置中流动自发分聚行为。结果表明:
　　 1.粉体颗粒的物性与其状态相关,对粉体流动性的表征不仅要反映颗粒物性还要反映其运动状态。颗粒的剪切变形速率反映了颗粒物质抗剪切或维持流动状态的能力。依据低转速下转鼓中颗粒表层流速分布呈线性的特征,通过测量低速转鼓中自由表面粉体流动层厚度h,本文提出用颗粒的剪切变形时间Tr=1/{ω[(R/h)2-1]}(其中ω为转速,R转鼓半径)作为表征粉体颗粒流动性的新方法,不仅反映出颗粒流动的状态特征(流动性随流动状态的改变而改变),还综合了颗粒物性(如颗粒的粒径和形状等)的影响。该方法简便可靠,其表征某一转速下的结果与采用霍尔流动仪检测到的结果具有良好的一致性。少量液体的添加,增大了粉体颗粒间的粘结力,剪切运动时润湿颗粒体内部团簇结构的演化显著地改变了颗粒物质的流动性。
　　 2.颗粒流经低于临界尺寸的瓶颈时的堵塞与颗粒运动的模式密切相关。发现了颗粒流经瓶颈时呈现四种不同的运动模式(射流、斜面流、跳跃流和螺旋流),快慢不同运动模式间的相互干涉(成拱),是形成堵塞和产生“瓶颈效应”的内在机制;堵塞前流出瓶颈的颗粒数概率分布呈单峰函数分布:随颗粒流动性降低(表面摩擦系数的增大)和密度的增大,概率分布峰值降低并右移,且平均坍塌规模(流出的颗粒数)提高。
　　 3.双组元粉体颗粒在低速转鼓中和堆积斜面流动时发生的分聚行为不仅取决于组元颗粒物性的差异程度,还与倾倒时颗粒的流率Q(等价于转鼓中的转速ω)和液体的添加量W(体积比)密切相关。当流率Q或液体添加量W达到某一临界值后,分聚行为将消失。例如,在倾倒粒径比为3:1的混合沙颗粒时,Q达到31.25ml/s或W达到0.7％后,分聚将消失。因此,降低双组元颗粒物性差异,增大流率或液体添加量都有助于防止分聚行为的出现。
　　 将上述因素综合分析颗粒堵塞和分聚行为的研究(如模型和相图建立及其理论分析)仍有待深入进行。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章 文献综述

1.1 粉体颗粒概述

1.2 颗粒物质的流动及流动性

1.2.1 颗粒物质的流动

1.2.2 粉体颗粒流动性的检测

1.3 粉体颗粒的堵塞

1.3.1 堵塞状态的基本概念

1.3.2 临近堵塞转变的临界行为

1.3.3 堵塞状态和特征的基础实验研究

1.3.4 堵塞行为的应用实验研究

1.4 少量液体添加对颗粒物性的影响

1.4.1 湿颗粒的坍塌动力学

1.4.2 润湿颗粒稳定性

1.5 颗粒物质的混合与分聚

1.5.1 振动时颗粒物质的行为

1.5.2 斜面流中的指印现象

1.5.3 转鼓中的分聚

1.6 现存的主要问题和研究途径

1.7 主要研究内容

1.7.1 少量液体的添加对颗粒物性的影响

1.7.2 转鼓中粉体颗粒流动及流动性的研究

1.7.3 瓶颈流中颗粒物质的堵塞行为

1.7.4 粉体颗粒的分聚行为

1.8 研究目标和意义

1.8.1 研究目标

1.8.2 研究意义

第二章 试验过程

2.1 粉体颗粒材料及试验装置

2.1.1 试验所用颗粒

2.1.2 试验装置

2.2 试验方案及方法

2.2.1 研究路线

2.2.2 转鼓试验步骤及相关参量的测量方法

2.2.3 几种不同粉末颗粒的流动性检测

2.2.4 瓶颈流中的堵塞试验步骤及参数测量

2.2.5 堆积斜面装置中倾倒双组元颗粒试验

第三章 粉体颗粒的流动及流动性表征

3.1 不同颗粒的流动特性

3.1.1 干/湿颗粒的运动形貌

3.1.2 自由表面倾角

3.1.3 表面流动层厚度

3.1.4 几种不同粉末的流动性

3.2 粉体颗粒润湿后物性的变化特征

3.2.1 转鼓湿颗粒运动的自由表面稳定角及表面形貌

3.2.2 润湿颗粒体的结构演化

3.2.3 润湿颗粒的稳定性

3.3 粉体颗粒的流动性表征

3.3.1 颗粒物质流动性定义及其表征参数

3.3.2 几种颗粒材料流动性的表征

3.4 本章小结

第四章 低于临界尺寸瓶颈中颗粒流动的堵塞行为

4.1 堵塞前流出的颗粒数

4.2 堵塞特性及影响因素

4.2.1 瓶颈的临界尺寸

4.2.2 堵塞模式

4.2.3 坍塌规模及其概率分布

4.2.4 影响因素

4.3 本章小结

第五章 粉体颗粒的分聚行为

5.1 不同粉体颗粒的分聚特征

5.1.1 转鼓中双组元颗粒的分聚特征

5.1.2 堆积斜面中的分聚特征

5.2 粉体颗粒的分聚行为及其影响因素

5.2.1 转鼓中颗粒的分聚

5.2.2 堆积斜面装置中的分聚

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果