CHJ气流冲击粉碎机的设计构想

2006年1月Jan.2006 JOURNAL OF JINAN UNIVERSITY (Sci.& Tech.).CHJ气流冲击粉碎机的设计构想马海洋 于翠玉1. 潍坊职业学院，山东 潍坊 261041； 2.潍坊职业学院，山东 潍坊 261041）摘要：介绍一种新型的气流动力超细粉碎设备CHJ气流冲击对撞粉碎机，其设计中运用了流体机械理论、物料颗粒群理 论、流体力学、气力混合理论并结合了粉体物料的流态化特性及选粉和颗粒的沉降效应，整机设计结构合理、性能优良，具 有粉碎粒度小、磨耗小、生产效率高等优点。关键词：冲击 对撞 粉碎 颗粒群 气力混合收稿日期：2005 -10 -01 （鼠标双击此位置可填写相应内容）（请在此处标明3个月之内可联系的电话，email地址） 基金项目： 山东省自然科学基金资助项目（编号 （此项没有请删除）作者简介： 姓名（出生年 - ），男（民族汉族忽略），山东济南人，济南大学机械工程学院教授，博士。碎磨过程是矿物加工过程中的第一道工序,也是 决定所生产产品质量的关键工序，矿物只有被解离到 一定要求的粒度后,其有用成分才能被充分利用因。此 设备的粉碎粒度大小就成了评价一台粉碎机性能优劣 的重要指标，同时粉碎过程也是整个矿物加工过程中 电耗、钢耗等原材料消耗最大的工段据专家估算粉 碎阶段处理每吨原矿的电耗平均约为 16.0kWh, 占选矿厂总电耗的40%左右。因此在粉碎工程领域中在尽量降低能耗的前提 下提高加工成品细度意义重大可产生巨大的经济效 益和社会效益在这一迫切需求下多碎少磨理论已得 到公认，并有一系列相应的新型破碎机涌现其中气流 冲击对撞粉碎机以其独特的结构和工作原理使矿物 实现了完全的自粉碎碎后产品粒度可以达到400 目, 从而充分体现了多碎少磨、节能降耗的思想。CHJ气流冲击对撞粉碎机是在最初对流喷射磨 的理论基础上设计的，借助高速气流来实现物料自身 对撞而发生粉碎，由此实现了完全的自粉碎，这种设 备集超细粉碎、气力输送为一体，产品粒度细、金属 磨损轻微、过金属能力强。1、结构和工作原理CHJ 气流冲击对撞粉碎机是一种新型冲击式超 细粉碎设备,适用于各种非金属矿、水泥、建材原料等 脆性物料的粉碎,也可以用于一些一般设备很难达到 粉碎细度的物料加工，同时运用了流体机械理论、物 料颗粒群理论并结合粉体物料的流态化特性及选粉和 颗粒的沉降效应而设计，该设备中待加工物料瞬间被 速度为20m/s的高速气流吹起，并与其他高速运动的 物料相撞击，由于气流速度高，物料冲击强度大,因而 粉碎效率也相当高，同时物料在喷枪内运动的过程中 人为加上内螺旋风和外螺旋风使物料最大限度的向运 动轴心收聚从而减少与管壁的摩擦，使金属磨损减少 到最低限度。该设备主要由：1、喷枪2、碰撞室3、机架4、分级机 5、送气箱 6、物料输送机等部件组成，主要 结构如上图所示。设备的基本工作过程是：物料从螺旋输送机6 处沿料管倾斜落下，在到达喷枪与输料管结合处时， 由空压机来的高速气流将物料带起并沿喷枪向前做加 速运动，在这一过程中实现了物料和气流的混合，形 成气料混合相，这是在一根喷枪内形成气料混合相的 过程，设备碰撞室圆周每隔120度分布一根喷枪，每 根喷枪对准碰撞室中心，物料从喷枪内喷出后，在碰 撞室中心发生对撞并粉碎，整个过程将在瞬间连续进 行，粉碎后的物料粗细不均，在风速一定的底风喷吹 作用下符合一定粒径范围的物料随底风上升进入分级 机，分级机将粗细不均的物料进行分级，物料中粒度 较大的在分级机和重力的作用下重新落下，在下落过 程中与其他上升的物料发生摩擦，并在落至喷枪处时 受到其余高速物料的冲击而再次粉碎，直至达到要求 的粒径范围后被底风再次送入分级机进行分级。 2.物料颗粒运动参数计算2.1颗粒状态分析在 CHJ 气流冲击对撞粉碎机设计中，对其物料的 悬浮速度、气流速度、质量浓度以及空气消耗量的分 析是非常重要的。由于物料颗粒粒径在粉碎前相对较 大、速度高、压差阻力占主要部分,其速度的平方与阻力成正比，取R = 0.055兀p d202即可得本区内物a料的悬浮速度和粒径范围：o -【4g（PsPa）-3 62 !d（Ps-Pa）t3CpCpa1a（1）20.4 - 3 dm 5100 3：P （P -P ）P （P -P ）as aas a（2）2.2影响悬浮速度的条件及解决措施 在喷枪中，由于管道的截面积有限，而悬浮的物 料又占距一定的截面积，致使使空气流通的截面积减 少，颗粒周围气流速度增加，因此同一物料颗粒在受 管壁限制的条件下的悬浮速度较之在自由空间中的悬 浮速度要小，为解决这一问题，我们在设计的过程中 可以人为的设计一个沿内部管壁切向流动的气流，使 物料沿喷枪径向螺旋收紧的同时又减少与管壁的摩 擦，在内风管和外风管（即喷枪中部和头部）上分别 加上气流环分管（如图2 所示），气流通过环分管均匀 的沿管壁环分，并通过焊接在喷枪内部的螺旋叶片将 气流螺旋沿管道的内外壁送出，这样两次的内外风可 使物料充分的向盆枪中心收拢，以大大的提高物料相 撞时的冲击力，与此同时通过内外风的作用还可减少 甚至消除物料对内壁的摩擦，减少沿程压力损失，因 此，悬浮速度受到内管壁摩擦的影响可忽略不记。 2.3物料颗粒的悬浮速度分析及粉料的流动特性 通过上面的分析及计算得出悬浮速度的计算公 式，将气流冲击对撞粉碎机的原始设计数据代入公式 可得出物料的悬浮速度。在输送过程中，空气压强沿管道从进料端向出料 端逐渐下降使气体体积不断的增大，所以气流速度沿 管道也相应的增大。为使颗粒能被气流迅速带走，应 首先使进料口气流速度远大于悬浮速度。要分析这一 点首先应考虑粉料的混合与离析特性。对粉料混合和离析机制影响最大的因素是粉料 的流动特性，自由流动粉料从容器中倒出时流动时是 连续的，同时粒子又很容易做个别运动，从而发生粒 子之间的离析现象，粘性粉料的流动是间断的，虽然 存在流动和贮存问题，但却不会出现自由流动粉料常 发生严重离析，粉料流动特性与固体粒子的性质密切 相关，其性质包括有：粒子粒径及其粒度分布、粒子 形状、水分含量、安息角等。粒度及其分布是影响粉料流动性能的重要参数， 随着粒径的减小，颗粒间由重量引起的分离作用变为 次要，而粒子间的结合力会使混合物中形成团块，随 着混合物中粒径差异减小，离析现象减弱，但如果在 表面带有少量的黏附性的粗粒子混合物中，掺有粒径 非常小的细粒子，则细粒子会迅速覆盖在粗粒子表面， 此时细粒子失去了运动自由，从而得到高质量的混合 物。粒子的形状及其表面表面粗糙度会影响粒子的流 动性能，类似球形的粒子比不规则形状的粒子易于流 动，因为后者具有较大的接触面积，使流动阻力增大。粉料随着含水量的增加，使粒子之间吸附力增 加，从而易于结成团块，使流动迟缓，阻碍混合的形 成。而安息角使粉体靠粒子自重相成一种摩擦角，它 是固体粉料流动难易的一种表征。安息角愈小的粒子 流动性愈好，在混合料中若各部分的安息角存在较大 的差别，也会引起离析。通过以上分析我们可以看出所设计的设备在粉 碎的粒子形状及气流速度等方面有严格的要求，其规 格和主要技术指标如下。 2.4设备规格和主要技术性能指标名称和参数技术性能指标规格（碰撞室直径）1500喷枪气流速度20m/s进料粒径100 目（100p m）出料粒径400 目（37p m）喷枪长度2223碰撞室高度2300处理能力60t/h喷枪数目3颗粒悬浮速度2.3m/s质量浓度50空气消耗量0.39n?/s压力7X 105Pa物料发生粉碎所需要的功& 72J/kg2.5物料分析理论及TDH值研究碰撞室的高度为碰撞室出口高度和出口大小两者进了净化常数K* (d),通过计算K* (d),同时通过测 定床层不同高度处的浓度的方法确定DH的最优值， 其含义是，对于不同的喂料颗粒，测定其在自由空间 内不同高度的夹带量，与相同颗粒范围的饱和夹带量 相比，两者的相同高度即为TDH值。TDH之上的夹带量为净化常数K* (d),通常对平 均颗粒直径为dsi的窄尺寸范围的固体夹带量可用下之和，其中出口大小是由分级机的处理风量决定，对 于选定的分级机工作参数，它为一定值，而碰撞室的 出口高度是依据TDH值决定的，因此正确研究并合理 计算TDH的大小是非常重要的，TDH值为夹带输送分 离高度的简称，其定义为夹带接近常数的床层某一高 度距分布板的距离，过去估算TDH值一直沿用的是 Zenz和Weil提出的经验线图。将Zenz的经验线图数式化，得到关系式：TDH=(2.7D - 0.7)exp(0.74UD -0.23)D t t t而随着流态化技术的不断深入，不少学者提出了 新的TDH值的计算式：Amitin 提 出 的 关 联 式 ：TDH 二 1.08U 1.2 (6.71 - 1.21g U)式来求得： mi=xi K*(d)xi 是这个粒级范围的颗粒的质量分数，总的夹带 量为整个尺寸范围内具有带出速度t小于表观气速U 的颗粒的夹带量的总和。Wen和Hashing在I960年提出的K*(dsi)的计 算式为：Vd pT si f0.725叮p1.15U-VTVL片L pf0.1随后在1972年Merick和Highley根据空气流化煤的半工业化实验结果关联得到：K*(d ) = 130p U expsi s-10.4r umfU - UA 0.25丿TDH 二(63.5、/D 丄)(B)2谢裕生提出的关联式： 其中：二必Davidson 提 出 的 关 联 式TDH = -ln 1 + 丄 ln(0.01 + 0.99exp(-c) 0c两者的不同是与两者的实验条件有关，用 Wen 和Hashing的公式计算在实验的最佳风速下对物料样 料的计算得：K*二9.6kg /m2 S，相当于实验模型 条件下喂料速度为230g/s,而实际上模型喂料速度只 有85g/s左右，两者差距近两倍用Merick和Highley 公式计算，结果相差几个数量级，分析实验结果和计 算结果相差较大的原因，原因主要有以下四点：最具代表的是谢裕生，秦齐光等人根据颗粒群运1)、床层结构尺寸影响，前面夹带理论中我们动 规 律 导 出 的 综 合 关 联 式 ： 已经分析了床层结构对夹带的影响。U开(2)、考虑到震动因素的影响，震动条件下分散TD=iHso-y+E?耳go(1-eip)+S与珂0+ 1 g。 (1相浓度随咼度的衰减比无震动时要快，这说明震动有占E1牛卩E101(E1 -01)助于TDH值的降低，这可以从两个方面分析，首先，关 联 式 与 8 个 参 数D ,U, H , N , d, p , p ,卩( t 00 s g )相关联，其计算结果比Zenz的估算结果更接近实际，原因是enz没有 考虑到自由空间轴向气流速度的梯度变化，而是假定 气流速度为常数。由于震动的抛掷作用，震动条件下物料在分布板上的 分布较无震动条件下物料分布均匀。而且震动条件下 物料与分布板的接触时间为短，流化较好，其次，震 动有助于气泡尺寸的降低，抑制大气泡的形成，由夹 带理论分析可知,气泡颗粒的喷溅速度 j与气泡尺寸经过不断的研究与探索，济南大学李坤山教授引有关,气泡大，则Uj较大,气泡小，则Uj较小，而Uj 越大，而TDH就越大也就是说气泡越小,TDH越小。（3）、上层挡网的影响，上层挡网在浓相界面之 下，或TDH之下，对颗粒的夹带和TDH值的降低有明件代入得到流化室的直径为L=1.25m,考虑到分布板的安装需要，实际设计中取L=1.5m.2.7喷料管结构设计在本设备中，由于物料在气力输送的过程中会对 管壁进行碰撞与摩擦，因此在部件上要加耐磨材料，显的作用。在管道的内壁衬上一层陶瓷衬层，可防止摩擦。4）、颗粒大小及颗粒组成的影响，由于实验的“V)0.5(T-I U八UmfU-U、0.25碰撞室外壁目的不同，所用的物料颗粒的大小及其组成不能相同， 因此夹带量F与自由空域高度的关系线不同。综合以上四个方面的影响，有必要对公式式进行 修正，假定公式的指数变化规律不变，代入设计数据 得：K*(d) = 1.0x103p Uexp104s对于震动挡板流化床，我们推荐使用上式计算净 化系数K*（d）,对于本次设计所用的物料及系统所要 求达到的产量在估算系统的最佳风速在2.5m/s左右 时，根据上式我们推算出碰撞室喷嘴到挡网高度为 2.3m。2.6碰撞室直径确定碰撞室直径是确定选粉精度的重要因素，其设计 的出发点为碰撞室内粗细颗粒的运动轨迹，如上图所 示曲线2 为细颗粒的轨迹示意图，曲线3中的虚线为 粗颗粒的实际运动轨迹示意图，为了计算方便，我们 认为细颗粒的运动轨迹是按1 运动，粗颗粒按3中的 实线部分进行抛掷状态的跳跃运动，根据粗粉和细粉 同进同出原理， 我们得到下列关系式： H -L L Lm + t +=-U V1 VVn出在设备中，喷料管是由两部分组成第一部分是从 供料器交接口到内风管，这一段距离是物料从自由落 下到被吹起的部分，因此，这个过程是对管道的摩擦 最剧烈的部分，所以从供料器交接口处到喷料管第一 部分结束这段距离要加陶瓷衬层，防止其磨损，在第 一部分结束后，物料在内风管供风的作用下重新被向 轴心受紧，而被顺利的送进第二段喷料管，在这段喷 料管中物料在内风的作用之下发生螺旋前进，对喷料 管内壁的摩擦小于第一段喷料管的摩擦，单仍要加上 陶瓷衬层，第一段喷料管和第二段喷料管的连接通过 内风环分管和内风管连接在一起的，内风环分管焊接 在第一段喷料管上再与内风管外壁相连，而内风管又 与第二段喷料管法蓝连接，整个部件被连成一体。对于特定的操作气速，颗粒特征，在值确定以 后，可由上式计算出所需的碰撞室的直径。式中的加 速段长度为Lm及加速段停留时间tl,可由粒群运动 方程式求出：dVdl2-k 九 V 2-2gDt式 中 的 V 由 式 2-l4 得V 二 r c c c f (D)a c 0 (1s+ tga tg )d h m w000本次设计中，我们选定的H=2.1m,把其中已知条参考文献在第一段喷料管和第二段喷料管的头部都焊接上 螺旋状的叶片，其锥度与内风管和外风管的锥度相同， 主要作用是将经过环分后的内外风通过这些均匀布置 在喷管头处的螺旋叶片均匀的分开，并烟内壁螺旋的 送入下一段喷料管，同时，它们还有支撑内风管和喷 料管的作用，从而减少了单纯环分管焊接处的受力， 增加了整个部件的刚性。整个部件的连接如上图所示。1 杨俊平.LCP5立式冲击破碎机研制及试验北京西外 .2 程群.常用气力输送系统的优化设计一.合肥水泥工业研究设计院.3 苍大强.气力输送系统新技术.北京科技大学冶金系.4煤粉气力输送管道压力损失的实验研.究钢铁研究学报.5 周崇牧.气流粉碎技术及粒度控制.长沙矿山研究院.6 白铭声.流体机械.煤炭工业出版.7 褚瑞卿.建材通用机械与设备.武汉工业大学出版8 郑金宝.气力混合与气力输送.武汉工业大学出版社.8、结语（1）CHJ 冲击粉碎机是一种新型超细碎设备,具 有产品粒度细、金属磨损轻微、过金属能力强等优点。（2）设计中运用了物料颗粒群理论,设备分级能 力达到了要求。（3）制造中运用了无损探伤、动平衡、高强度合 金钢、耐磨陶瓷材料等。（4）制造完成后对设备喷枪等部件进行了应力测 试,进一步验证了其结构和强度。（5）通过理论计算证明,其机械性能、破碎效果 都达到了国际先进水平,可作为超细磨设备运用到生 产中。