摘 要 圆筒混合机的作用是将配好的混合料混匀、润湿、制粒,使之达到成分均匀、水分适中、透气性良好的要求。为实现烧结原料的组分混合均匀,取得最佳制粒效果,本文从混合机内的物料运动规律入手,得出一混和二混最佳参数的选择办法。
关键词 圆筒混合机 物料状态 运动规律
1 前 言
混合设备是烧结厂主要设备之一,设置在配料设备与烧结机之间,为烧结机提供均匀适合的烧结混合料。目前广泛使用的是圆筒混合机,根据原料性质的不同,烧结厂的混合作业分为一次混合和二次混合。一次混合主要目的是混匀和润湿;二次混合除继续混匀外,主要目的是制粒,并进行通蒸汽预热混合料,使混合料温度在露点温度以上,强化烧结过程。由于物料在筒体内运动的复杂性,所以到目前为止还没有一种很好的、精确的理论对圆筒混合机的设计进行有效地指导,导致设计多以经验为主,所以很多混合机制粒效果不佳,难以达到预期的效果。因此,寻求最佳的设计参数,是现在工厂所面临的突出问题。
2 圆筒混合机内物料运动过程分析
混合机内的物料成分主要由精矿粉、焦粉、返矿、石灰石、添加剂等组成,物料都是颗粒状,粒径在0～5 mm之间。为了确定混合机的适宜工作参数,必须对筒体内物料的运动规律进行分析。由于物料运动状态相当复杂,为了使问题简化,根据物料的实际运动状态,作如下假设:物料与筒体间无相对滑动;物料层间相对滑动极小,计算时可以忽略不计。
物料在作抛射运动前随筒体一起匀速转动,所以只要分析出在抛射时刻物料的受力状态,就可以得出物料抛射后的运动规律。取最贴近筒体的物料作为研究对象,由于物料直径与筒体有效直径相比小得多,可认为物料与筒体内壁线速度相同,物料的受力如图1所示。
图中物料所受重力为G , 筒体对物料的支持力为N ,物料所受摩擦力为F ,其中摩擦力F=μN 。
180°- β为物料的提升角。此时物料颗粒法线方向受力方程为:
N + mgcosβ= mω2 R
(1)
物料在图示位置平衡时切线方向上受力方程为
F - mgsinβ= 0
(2)
将F =μN 和式(1) 带入到式(2) 可得
μ( mω2 R + mgcosβ) - mgsinβ= 0 (3)
由上式可以看出随着物料上升,β角变小,N 变小, F 也变小,
则重力在切线上分量mgsinβ变小。随着这些量的变化物料运动会随之改变,通过力学分析可得出六种不同运动状态。分别为Slipping
(滑移) 、Slumping (阶梯) 、Rolling(滚动) 、Cascading (小瀑布) 、Cataracting(大瀑布)
和Cent rifuging (离心)
。考虑到生产实际,混合机内侧焊有多条不等边角钢和耐磨衬板,所以不会有滑移和阶梯过程,并且也不会有离心情况出现。
3 影响圆筒混合机混匀制粒的因素
圆筒混合机参数的确定以满足产量为前提,以取得最佳制粒效果为目标,尽可能减小尺寸,节省投资。
3、1 混合料性质的影响
(1) 粘结性。粘结性大的混合料易于制粒,但对混合不利。
(2) 粒度。粒度差别大,易于产生偏析,难混匀,也不易于制粒;
在粒度组成相同的情况下,多棱角和形状不规则的物料较圆滑物料更易于制粒;混合料中大粒级比例减小,对混匀和制粒均有利。
(3) 混合料密度。各组分的混合料密度相差过大,对混匀和制粒都不利。
3、2 添加水量的影响
混合过程中,添加适量的水有利于制粒。水分过大,不但影响混匀,且对制粒也不利,所以添加水量必须严格控制。通常最适宜的制粒水分与烧结需求的水分较为接近。
3、3 混合机参数的影响
影响混合的参数有混合时间、筒体转速、填充率、筒体长度、直径及安装倾角。
加长混合时间,对混匀有利。绝大多数原料都随混合时间的延长其制粒率提高,尤其是石灰石和焦粉比较突出,但也有个别矿粉到一定时间后恰好相反。
筒体转速决定混合料在圆筒内运动状况,因而对混匀和制粒效果影响很大。只有当转速适宜时,如图2
所示,混合料呈小瀑布状抛落,各组分有充分接触机会,才能取得良好的混匀效果。根据经验公式,一般情况下,一次混合机的转速n1 =
(0.2～0.3) Nc ;二次混合机的转速n2 = (0.25～0.35) Nc 。Nc 为临界转速。
填充率是指筒内物料平均横截面积占筒体有效横截面积的百分比,它对产量、混匀和制粒效果均有很大影响。填充率过大,在转速和混合时间不变的情况下,虽能提高产量,但此时料层增厚,混合料运动状态不佳,不能获得适宜的运动轨迹,会对混匀和制粒产生不良影响;填充率过小,生产率不能满足生产需要。填充率的确定须和转速协同考虑,使两者搭配合理,来获得适宜物料的运动,才能提高混匀和制粒效果。
筒体长度和直径既是决定混合机生产能力的主要参数,又直接关系到混匀和制粒效果。直径的影响可从转速、填充率和混合时间几个参数中反映出来;长度主要影响混合时间,增加长度也就是增加了混合时间。
安装倾角也直接影响混合时间,倾角大,混合时间短;倾角小则混合时间变长。
4 物料混合过程最佳参数的选择
4、1 一次混合机的最佳参数选择
对于一次混合机来说,以混合为主,其运动方式以物料作抛落运动(小瀑布) 为宜,如图2所示,这就要求物料提升角180°-
β必须大于90°。
此时物料颗粒能抛射条件为所受支持力N为0 。
从而有如下关系
如果ω 为已知定值,也可以得出β关于r的二维曲线。
由公式(6) 可以画出二维抛射面曲线,如图4 所示,所选用的坐标系是极坐标。
图4 中极径为筒体的半径,极角为物料抛射角。可以看出随着半径R 的减小, 抛射角β也随之减小。
物料抛射过程如图5
所示。下面对物料的抛射过程作一简单分析。物料运动过程中,物料料面与水平面所成的角的极限为物料的休止角。当物料上端到达物料抛射面时,即图5
中的A 点,物料被抛出。随着物料不断地被提升,物料与抛射面相交的点越来越多,被抛射的物料也不断增多。物料抛射点由A
点沿物料抛射面向筒体中心移动,直到B 点,即物料抛射面与物料休止角所对应料面的交点。物料抛射量达到最多,之后保持稳定。
物料处于滚动状态和大瀑布状态时混合效果不佳,而处于小瀑布时物料形成适宜的空间交汇,各组分在抛落中有充分的接触机会,能够取得良好的混匀效果。最佳状态在小瀑布与大瀑布的临近点。体现在图5
中即为图中空心位置能被料流填满。最佳落点需要满足
从而可以求得最佳参数组合。
4、2 二次混合机的最佳参数选择
对于二次混合最佳参数选择原则为:对应一定的角速度,便可确定物料的抛射面;调整物料填充率,使得物料休止角所对应的料面到达抛落与滚落状态的临界点,此时滚动距离最长,制粒效果最佳。如果填充率过大,物料则会做抛射运动,制粒效果不好;
如果填充率过小,物料仍处于滚动状态,但滚动距离较小,制粒效果不是最佳。
制粒效果最佳状态如图6 所示。
由上式可以看出,最佳物料填充率与筒体转速、筒体半径以及物料的休止角有关。具体设计时应综合考虑,以得出合理的参数组合。
5 结 论
本文阐述了混合、制粒时物料的运动过程,描述了影响圆筒混合机混匀制粒的因素;详细研究了一次混合和二次混合时的最佳操作参数,指出一次混合时物料处于小瀑布运动状态,二次混合时物料为滚动状态时较好。
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