渦流分級機分級精度影響因素的研究進展

趙雪珍，周勇敏

(南京工業大學材料科學與工程學院, 江蘇 南京 210009)

渦流分級機是粉體制備行業的重要設備之一。隨著科技的發展，社會的進步，生產、實驗中對于分級設備不僅要求其分割粒徑小，而且要有較高的分級精度。渦流分級機作為第三代氣流分級機，分級流場穩定、分級精度高、分級性能好，被廣泛應用于眾多領域。第三代渦流空氣分級機分級精度的提高以及阻力損失的降低，仍有很大的潛力[1-2]。

1 渦流空氣分級機的分級原理

渦流空氣分級機的分級機理如下：物料從上方的進料口給入，經撒料盤后均勻拋向四周。氣流從兩個平行對稱的進風口切向進入，并沿螺旋形蝸殼經環形安置的導風葉片進入轉籠外邊緣和導風片內邊緣之間的環形區。由于風機的抽吸作用，在轉籠中心形成負壓，進入該環形區的氣流將絕大部分進入轉籠，并在轉籠中心處作90°轉彎沿軸向折向排出管流出。待分級的物料經撒料盤分散后，在重力的作用下進入到環形區，隨氣流抽吸帶到轉籠外邊緣附近，此時物料顆粒在離心力和曳力的的作用下產生分級。細顆粒隨氣流排出，粗顆粒則與蝸殼壁相碰后落入底部的錐形排料斗排出[3-4]。

2 影響分級精度的因素

2.1 操作條件對渦流分級機分級精度的影響

渦流分級機的操作參數，主要包括進料速度、轉子轉速和風機風量。

進料速度直接影響分級機的粉體處理量和產量。從節能方面講，應增大進料速率，但是在實際分級過程中，當其他操作參數不變時，隨著進料速率的增加，分級機內固體顆粒濃度增大，粗細粉之間的碰撞、團聚現象加劇，分級效率和分級精度下降[1, 5]。

轉子轉速對渦流分級機分級精度的影響。分級機的轉子是影響顆粒分級的主要因素之一。轉速的增加，有利于切割粒徑的減小，可以使顆粒所受的離心力大大增加，有利于細顆粒被甩出。同時，隨著轉速的提高，分級區域內氣流的徑向速度變小，而切向速度增加，這使得顆粒以較高的速度撞擊到葉片上。這些顆粒與葉片撞擊后，會發生彈跳，粗顆粒有可能被彈入葉輪內部，使得細粉中進入粗顆粒，影響了分級精度。因此，我們應盡量采取措施，減小氣流的切向速度，增加氣流的徑向速度，以達到較高的分級精度[1,6-9]。

風機風量對渦流分級機分級精度的影響。風量也是渦流空氣分級機操作中重要的工藝參數之一。一方面，風量的大小直接影響分級粒徑的大??；另一方面，風量的大小還決定了氣流承載物料的能力。如果風量太小，氣流不能在分級區域內產生足夠的曳力，不利于細粉的迅速排出，也影響渦流空氣分級機的產量和分級效果[1, 9-11]。分級機的風量要選取一個合適的值，且要與轉速配合好，以達到好的分級效果。從分級的實際過程來看，最好是在風量和轉速都較高的情況下分級。

2.2 轉子葉片對渦流分級機分級精度的影響

葉片數量對渦流分級機分級精度的影響。在氣流流速相同的情況下，轉子葉片增加有利于顆粒的分級，這是因為葉片數量少，流道相對長度縮短，增大了流道的擴散度，容易在流道中產生漩渦，葉片數增加，可減小葉道內軸向渦流的強度。同時，葉片數量增加，徑向速度增大，切向速度減小，這有利于顆粒只受到向內的氣體曳力和離心力的作用，減小顆粒與葉片的碰撞，有利于顆粒的分級[1,12-13]。

葉片傾角對渦流分級機分級精度的影響。葉片傾角對于分級精度也有影響。實驗表明，負角度傾斜的葉片有利于達到較好的分級效果。在葉片角度為正角度時，如果增加葉片長度，也會得到較好的分級效果。在負角度的情況下，隨著葉片長度的增加，非工作葉片末端的回流區越來越大，這種回流對其間顆粒產生較大的作用，不利于顆粒的分級[1,14-15]。

葉片型式對渦流分級機分級精度的影響。轉子葉片型式對分級機分級精度也有很大的影響。傳統的轉子葉片為徑向葉片，由于徑向葉片間易產生慣性反漩渦流，使分級精度下降。慣性反漩渦會導致分割粒徑在一定范圍內分散，分級精度降低[16]。劉家祥、徐德龍指出，在轉籠的徑向葉片間增設窄葉片，可減小轉籠徑向葉片間的慣性反漩渦流，提高分級機的分級精度[2,17]。他們還研究了渦線型(流線型)葉片，研究結果表明，采用渦線型轉子葉片，能有效降低慣性反漩渦的產生，提高分級機的分級精度[2]。

任朝富、劉繼光等人研究了一種氣流入口后彎、出口前彎的異形轉子葉片(S型)并相應增大葉片間距，這樣有效抑制了慣性反漩渦，利于細粉的進入和粗粉的拋出[18]。他們還研究了一種葉片外側(氣流入口處)后彎、內側(氣流出口處)前彎的“Z”字形轉子葉片[19]。他們研究的這兩種異形轉子葉片結構不同，但是原理基本相同。入口后彎可減少葉片背風面的反漩渦，出口前彎可以使流體迅速流出，減少了出口處葉片背風面附近的回流現象。

黎國華等人利用CFD軟件模擬了一種帶后彎導板的新型葉片形狀。研究表明，這種新型葉片可以抵消轉子一定轉速時產生的附加反漩渦，從而使流場穩定，容易形成整流，提高了渦流分級機的分級精度[20-21]。

2.3 物料分散對分級機分級精度的影響

為提高渦流空氣分級機的分級精度，在分級之前，物料必須進行充分的分散。對于物料的分散主要有兩個方面：一是物料分級前的預分散；二是分級機內的分散。分級機內的分散主要是不同型式撒料盤對物料的分散作用。在此主要討論分級機內的分散對分級精度的影響。

屈鴻屋、李慧鈞研究了機械撒料盤的工作原理。試驗結果表明，盤面上有徑向凸棱的平板撒料盤，對物料分散效果最好[22]。白寶同改造了離心分級機的撒料盤，結果使物料分散變好[23]。劉家祥、徐德龍等人研究了不同高度的徑向凸棱撒料盤對分級精度的影響，他們還提出了一種改進的帶徑向凸棱的平板撒料盤。這種改進的帶徑向凸棱的平板撒料盤，可減小分割粒徑，提高分級精度[24]。日本A.bition公司對O-sepa選粉機進行改造，生產的A-sepa選粉機采用蝶形撒料盤，即撒料盤外周部分向上翹起，中部焊有漸開線狀的分料板。研究表明，這種撒料盤分散效果好，有利于分級精度的提高。

2.4 轉籠通道型式對分級機分級精度的影響

轉籠通道型式對渦流分級機的分級精度影響很大，常見的轉子葉片間通道的橫截面，隨著半徑減小而減小。付俊提出，轉籠徑向葉片間通道做成里大外小，可保證偶然進入轉籠葉片通道中大于分割粒徑的粗顆粒，在通過轉籠葉片間通道時仍能被甩出，從而提高了分級精度[25]。劉家祥等人研究了里小外大、等寬道和里大外小3種轉籠型式。研究指出：在轉籠葉片數相等的情況下，通道型式按照里小外大、等寬道、里大外小的順序，分割粒徑由小變大，分級精度由大變小[2]。

2.5 導流特性對分級機分級精度的影響

導流葉片數量對導流效果的影響。 從理論上講，增加導流葉片數量有利于流場均布，但是由經驗公式p=K1S(p為經過導流葉片的阻力損失；K1為實驗系數；S為導流葉片總表面積)。為取得較好的導流效果而增加葉片數量，將導致表面積增加，壓力損失p增大，磨損加劇。

導流葉片型式對導流效果的影響。傳統的導流葉片都是徑向安裝的平板導流葉片，易產生顆粒返混現象，影響分級效率和分級精度。李進春、李雙躍等人研究的一種 “L”形導流葉片，可以使粗、細顆粒路徑較清晰，分級過程穩定[26]。同時，葉片之間的氣流通道外小內大，這樣的設計有利于分級精度的提高。Seeker公司開發的非均布導流葉片，是在進風口氣流較強處，葉片按某一規律分布較密，其余部分分布較稀。李雙躍、李洪等人通過模擬，比較了以上兩種異型導流葉片的導流效果。研究表明： “L”形導流葉片的導流效果較非均布導流葉片的導流效果略差[27]。

3 結 論

以上的論述，對于渦流分級機的設計具有很大的指導意義。在設計的時候，應該注意到以下幾點：

(1) 物料的分散對分級精度有很大的影響。在設計渦流分級機的分散裝置時，要同時考慮粉體的預分散和分級機內的分散。

(2) 轉籠有圓柱形和圓錐形兩種形式，在轉速相等、風量和中位徑相同的前提下，要獲得同樣的切割粒徑，圓柱形轉籠所需的葉片轉速幾乎是圓錐形葉片轉速的兩倍[28]。

(3) 轉子葉片型式對于分級機分級精度的影響也很大。我們在設計轉子葉片型式時，不僅要考慮轉子葉片的形狀，還要考慮葉片的數量和葉片安裝角。

(4) 導流葉片應該能有效降低顆粒返混現象，導流葉片的形狀、數量、安裝角度，都是在設計時要考慮的因素。

(5) 在已開發研制的渦流分級機中，很多的分級機采用了三次空氣。三次空氣可以強化分級機對被分級物料的分散和分級作用，使分散和分級作用反復進行。但是，一般三次空氣的風量為總風量的10%～15%，有限的風量和局部分選，很難產生明顯效果，反而擾亂了上部分級室流場的穩定。因此，在設計分級機時，不宜采用三次風[29]。

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