陶瓷干法造粒過(guò)程溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果的研究

吳南星，成　飛，余冬玲，廖達(dá)海，方長(zhǎng)福

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院,景德鎮(zhèn)　333403)

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陶瓷干法造粒過(guò)程溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果的研究

吳南星，成飛，余冬玲，廖達(dá)海，方長(zhǎng)福

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院,景德鎮(zhèn)333403)

針對(duì)陶瓷干法造粒機(jī)造粒過(guò)程溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比分析造粒過(guò)程溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果的影響?；贑FD方法建立模擬造粒過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，模擬造粒過(guò)程中溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化情況，并實(shí)驗(yàn)測(cè)得造粒室溫度值、造粒成品率隨時(shí)間變化情況。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明：當(dāng)造粒時(shí)間為7 min時(shí)，仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)的溫度值都低于80 ℃，實(shí)驗(yàn)測(cè)得顆粒成品率占整體顆粒質(zhì)量的56%；當(dāng)造粒時(shí)間為9 min時(shí)，仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)溫度值高于80 ℃的區(qū)域占造粒體積3%，實(shí)驗(yàn)測(cè)得顆粒成品率占整體顆粒質(zhì)量的72%；當(dāng)造粒時(shí)間為11 min時(shí)，仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)溫度值高于80 ℃的區(qū)域占造粒體積21%，實(shí)驗(yàn)測(cè)得顆粒成品率占整體顆粒質(zhì)量的61%。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析說(shuō)明：當(dāng)造粒室內(nèi)溫度值高于80 ℃時(shí)，將在一定程度上降低造粒的成品率。

陶瓷干法造粒機(jī)； 造粒效果； CFD方法； 實(shí)驗(yàn)分析； 溫度場(chǎng)

1　引　言

陶瓷行業(yè)是一個(gè)高能耗、高污染的行業(yè)，其建筑陶瓷墻地磚的生產(chǎn)能耗占生產(chǎn)成本的30%～40%[1,2]，且陶瓷墻地磚的能耗、污染主要集中在原料制備車(chē)間和坯體燒結(jié)車(chē)間。目前，陶瓷墻地磚原料的制備主要采取粘土、礦石及添加劑經(jīng)球磨機(jī)制成料漿，然后再由噴霧干燥塔噴霧干燥造粒制得[3-5]。然而，該工藝存在一次性投資大、能耗高的不足，在如今能源價(jià)格上漲及墻地磚市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中顯得愈加突出[6-8]。

而陶瓷干法造粒制粉技術(shù)可用來(lái)取代現(xiàn)有的球磨-噴霧濕法造粒制粉技術(shù)，從而根本上解決陶瓷墻地磚粉料制備車(chē)間的高能耗、高污染的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明陶瓷干法造粒制粉比傳統(tǒng)的濕法造粒制粉，可綜合節(jié)能30%以上，節(jié)水50%左右，且減少?gòu)U氣、二氧化硫、煙塵等有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，可徹底解決濕法造粒制粉的污染問(wèn)題，同時(shí)降低生產(chǎn)成本[9,10]。但是陶瓷干法造粒技術(shù)要在陶瓷行業(yè)形成產(chǎn)業(yè)化，還需要解決的技術(shù)性難題較多。制約陶瓷干法造粒制粉技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的因素主要是真顆粒的充分分散性問(wèn)題、假顆粒成形壓縮比問(wèn)題以及粉體的混色、發(fā)色問(wèn)題，這些問(wèn)題導(dǎo)致制備的顆粒流動(dòng)性、強(qiáng)度、堆積密度等物理性能達(dá)不到產(chǎn)業(yè)要求[11-13]。筆者研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷干法造粒過(guò)程溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果有一定的影響，因此，本文以陶瓷原料粉體為試驗(yàn)物料，通過(guò)構(gòu)建陶瓷干法造粒機(jī)造粒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，模擬研究陶瓷干法造粒機(jī)造粒過(guò)程溫度場(chǎng)的變化情況，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析溫度場(chǎng)對(duì)造粒效果的影響。其研究成果對(duì)陶瓷干法造粒機(jī)在陶瓷行業(yè)的進(jìn)一步推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

2　干法造粒試驗(yàn)裝置及模擬區(qū)域

圖1為陶瓷干法造粒試驗(yàn)所采用的干法造粒裝置結(jié)構(gòu)示意圖。干法造粒裝置通過(guò)噴嘴加入霧化液滴(粘結(jié)劑、添加劑等)，在攪拌葉片、鉸刀旋轉(zhuǎn)工作的作用下，實(shí)現(xiàn)陶瓷粉料的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而將陶瓷原料粉體滾制成球形狀用于陶瓷墻地磚壓制成形。由于霧化液滴所占造粒室體積≤4%，相對(duì)于陶瓷粉料可以忽略不計(jì)。因此，本文的模擬對(duì)象為造粒室內(nèi)氣固兩相流及干法造粒過(guò)程。

圖1　干法造粒試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of dry granulation test device

圖2　造粒室模擬區(qū)域示意圖Fig.2　Schematic diagram of the simulation area for the granulation chamber

造粒室在造粒過(guò)程中呈30°傾斜角放置，整體形狀近似為圓柱體形，陶瓷粉體在造粒室內(nèi)通過(guò)攪拌葉片、鉸刀以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)攪拌，同時(shí)造粒室自身以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)陶瓷粉體的造粒成形，因此試驗(yàn)的模擬區(qū)域?yàn)楦煞ㄔ炝Ｊ业恼w內(nèi)部區(qū)域。圖2為造粒室模擬區(qū)域示意圖，造粒室內(nèi)徑為235 mm、高為280 mm，初始加入陶瓷原料粉體質(zhì)量為5 kg，約占造粒室體積的1/4(高度約為70 mm)。

陶瓷原料粉體的粒徑分布范圍為0.009～0.017 mm，平均粒徑為0.013 mm，通過(guò)添加霧化液滴，經(jīng)旋轉(zhuǎn)攪拌葉片、鉸刀的作用下，將陶瓷原料粉體團(tuán)聚成粒徑范圍為0.2～0.8 mm符合陶瓷墻地磚壓制成形的球形狀顆粒。攪拌主軸以1400 r/min順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，造粒室以84 r/min逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)工作，整個(gè)造粒過(guò)程處于密閉空間進(jìn)行，陶瓷原料粉體、鉸刀、攪拌軸葉片和造粒室內(nèi)壁初始溫度均為20 ℃。陶瓷干法造粒試驗(yàn)在常壓下進(jìn)行，在不同造粒時(shí)間點(diǎn)采用紅外線測(cè)溫儀隨機(jī)測(cè)量鉸刀、攪拌軸葉片和造粒室內(nèi)壁溫度，同時(shí)測(cè)定樣品溫度和含水率。

3　模型建立

3.1數(shù)學(xué)模型

因?yàn)樘沾稍戏垠w的粒徑約為0.013 mm，即陶瓷原料粉體可作擬流體相處理，忽略霧化水滴的作用，造粒室只有氣體與粉體，而粉體所占造粒室體積約為25%，因此采用雙流體模型中的歐拉-歐拉模型(Eulerian-Eulerian model)來(lái)模擬干法造粒過(guò)程[14,15]。而該模型在模擬過(guò)程中，空氣相與粉體相彼此共存且相互滲透，各自擁有各自的速度、體積分布，且氣體相和粉體相均分別采用各自的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程求解[16,17]，具體數(shù)學(xué)模型如下：

(1)質(zhì)量守恒方程

氣體相連續(xù)性方程：

(1)

顆粒相連續(xù)性方程：

(2)

(2)動(dòng)量守恒方程

氣體相動(dòng)量方程：

(3)

(4)

顆粒相動(dòng)量方程：

(5)

(6)

(3)能量守恒方程

氣體相能量守恒方程：

(7)

顆粒相能量守恒方程：

(8)

式中：Tg、Ts為氣體相、顆粒相的擬溫度；KTg、KTs為氣體相、顆粒相的擴(kuò)散系數(shù)；γ為能量的碰撞耗散系數(shù)；Egs、Esg為相之間的能量交換(Egs=-Esg)。

3.2物理模型

3.2.1邊界條件

圖3　造粒過(guò)程物理模型Fig.3　Physical model of granulation process

由于攪拌主軸的旋轉(zhuǎn)速度很大，因此陶瓷原料粉體在攪拌葉片、鉸刀臨近區(qū)域受攪拌的作用影響大，故將該臨近區(qū)域設(shè)置成動(dòng)區(qū)域，造粒室其它區(qū)域設(shè)置成靜區(qū)域，動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域之間通過(guò)交界面連接，整個(gè)造粒室模擬區(qū)域處于密閉狀態(tài)，即其它壁面都設(shè)定成墻具體設(shè)置如圖3造粒過(guò)程物理模型所示。

高速旋轉(zhuǎn)的攪拌葉片、鉸刀與粉體之間的劇烈碰撞，將很大一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能，從而釋放出大量的熱量，使得造粒室內(nèi)部溫度迅速升高。由于摩擦生熱機(jī)理研究相對(duì)復(fù)雜，故通過(guò)假定攪拌葉片、鉸刀為熱源，進(jìn)行造粒過(guò)程溫度場(chǎng)模擬分析。筆者在造粒過(guò)程中，采用紅外線測(cè)溫儀對(duì)攪拌葉片、鉸刀隨機(jī)測(cè)得溫度，并對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行整合獲得攪拌葉片、鉸刀溫度平均值如表1所示。

表1　攪拌葉片、鉸刀溫度測(cè)量平均值

對(duì)表1攪拌葉片、鉸刀溫度測(cè)得平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)非線性擬合，擬合效果曲線圖如圖4所示，從而可以獲取攪拌葉片、鉸刀溫度值隨造粒時(shí)間的變化函數(shù)式：

T=-0.2306t2+10479t+20(t[0,15])

圖4　溫度值擬合效果圖Fig.4　Fitting effect diagram temperature value

將攪拌葉片、鉸刀壁面假設(shè)成熱源，根據(jù)函數(shù)式采用UDF自定義攪拌葉片、鉸刀溫度隨造粒時(shí)間變化情況，模擬造粒過(guò)程溫度場(chǎng)隨造粒時(shí)間變化關(guān)系。

3.2.2數(shù)值求解

利用ANSYS fluent14.0基于有限體積法對(duì)守恒方程組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在數(shù)值求解過(guò)程中采用PC-SIMPLE 算法對(duì)歐拉-歐拉模型進(jìn)行迭代求解。對(duì)于輔助模型如氣體相和粉體相之間伴有的熱傳遞過(guò)程模型、曳力模型和氣固兩相物性參數(shù)模型，通過(guò)UDF自定義函數(shù)嵌入到求解器中求解。

4　結(jié)果與討論

4.1模擬結(jié)果局部云圖分析

從模擬結(jié)果局部剖視云圖5分析可知：當(dāng)造粒時(shí)間為7 min時(shí)，造粒室內(nèi)在粉體相所占有的區(qū)域溫度值分布較均勻，基本上分布在40～70 ℃之間，最大溫度值為80 ℃；當(dāng)造粒時(shí)間為9 min時(shí)，造粒室內(nèi)在粉體相所占有的區(qū)域溫度值有所增大，少部分區(qū)域出現(xiàn)溫度明顯增大的現(xiàn)象，基本上分布在40～80 ℃之間，最大溫度值為90 ℃；當(dāng)造粒時(shí)間為11 min時(shí)，造粒室內(nèi)在粉體相所占有的區(qū)域溫度值有明顯的增大，造粒室底端出現(xiàn)大區(qū)域的溫度升高現(xiàn)象，溫度值基本上分布在40～90 ℃之間，最大溫度值為110 ℃。

圖5　造粒室溫度場(chǎng)局部云圖分布Fig.5　Local cloud distribution of temperature field in the granulation chamber

4.2模擬結(jié)果整體柱狀圖分析

從模擬結(jié)果整體柱狀圖6分析可知：當(dāng)造粒時(shí)間為7 min時(shí)，造粒室內(nèi)溫度值基本分布在20～70 ℃，其中50～60 ℃區(qū)間所占造粒體積為27%，為最大占有區(qū)域，且最大溫度值為80 ℃；當(dāng)造粒時(shí)間為9 min時(shí)，造粒室內(nèi)溫度值基本分布在20～80 ℃，其中60～70 ℃區(qū)間所占造粒體積為23%，為最大占有區(qū)域，且最大溫度值為90 ℃；當(dāng)造粒時(shí)間為11 min時(shí)，造粒室內(nèi)溫度值基本分布在20～90 ℃，其中70～80 ℃區(qū)間所占造粒體積為19%，為最大占有區(qū)域，且最大溫度值為110 ℃。

圖6　造粒室溫度場(chǎng)柱狀圖分布Fig.6　Histogram distribution of temperature field in granulating chamber

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比圖7分析可知：當(dāng)造粒時(shí)間為7 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積1%，數(shù)值仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)的溫度值都低于80 ℃；當(dāng)造粒時(shí)間為9 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積5%，數(shù)值仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積3%；當(dāng)造粒時(shí)間為11 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積17%，數(shù)值仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積21%。綜合分析可知：數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了模型的可靠性。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比圖8分析可知：當(dāng)造粒時(shí)間為7 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得顆粒成品率占整體粉體體積的56%，數(shù)值仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)的溫度值都低于80 ℃；當(dāng)造粒時(shí)間為9 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得顆粒成品率占整體粉體體積的72%，數(shù)值仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積3%；當(dāng)造粒時(shí)間為11 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得顆粒成品率占整體粉體體積的61%，數(shù)值仿真結(jié)果顯示造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積21%。綜合分析可知：當(dāng)造粒室溫度≥80 ℃時(shí)，將在一定程度上影響造粒效果。

圖7　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比圖Fig.7　Comparison between experimental data and numerical simulation

圖8　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比圖Fig.8　Comparison between experimental data and numerical simulation

6　結(jié)　論

(1)采用歐拉-歐拉模型建立模擬造粒過(guò)程溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型并求解分析造粒內(nèi)溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況，模擬結(jié)果表明：造粒時(shí)間為7 min、9 min、11 min時(shí)，造粒室內(nèi)溫度值≥80 ℃的區(qū)域占造粒體積分別為0%、3%、21%。模擬結(jié)果說(shuō)明造粒時(shí)間接近9 min時(shí)，造粒室內(nèi)溫度場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)溫度過(guò)大現(xiàn)象；

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量表明：當(dāng)造粒時(shí)間為7 min、9 min、11 min時(shí)，造粒室內(nèi)顆粒成品率分別為56%、72%、61%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明造粒過(guò)程溫度升高在一定程度上影響造粒效果；

(3)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說(shuō)明，造粒時(shí)間必須控制在9 min左右，此時(shí)造粒的成品率最高。其研究結(jié)果對(duì)陶瓷干法造粒機(jī)在陶瓷行業(yè)進(jìn)一步完善具有一定的幫助意義。

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Effect of Granulation by Temperature Field of the Ceramic Dry Granulating Process

WUNan-xing,CHENGFei,YUDong-ling,LIAODa-hai,FANGChang-fu

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333403,China)

In view of the temperature field influence on the ceramic dry granulation process, the effect was analyzed by comparison with the experimental and numerical simulation. The temperature field mathematical model was established by CFD method, which simulated the granulation chamber temperature over time, and the experiment measured the granulation yield over time. The simulation results and experimental data contrastively showed, when the granulation time was seven minute, the granulation chamber temperature was below 80 ℃, grain yield accounted for 56% of overall particles quality, when the granulation time was eight minute, the granulation chamber temperature was higher 80 ℃ that the area was accounted for 3% granulation chamber volume, grain yield accounted for 72% of overall particles quality, when the granulation time was nine minute, the granulation chamber temperature was higher 80 ℃ that the area was accounted for 21% granulation chamber volume, grain yield accounted for 61% of overall particles quality. Comparative analysis of simulation results and experimental data, When the indoor temperature granulation is higher than 80 ℃, it will reduce the granulation of finished products in a certain extent.

ceramic dry granulating machine;granulation effect;CFD method;experimental analysis;temperature field

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51365018)；江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃資助(KJLD14074)；江西省科技支撐計(jì)劃資助(20151BBE50041)

吳南星(1968-)，男，博士研究生，教授.主要從事陶瓷機(jī)械設(shè)備應(yīng)用方面的研究.

TQ174

A

1001-1625(2016)03-0837-06