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高压气体微孔射流对堆积粉料的破散性试验研究

作者:2016-08-23 16:44文章来源:未知

  射流技术已广泛应用于采矿、化工、轻工、航天、冶金等行业,并不断向新的领域扩展-2。如在钢铁行业的球团生产工艺中,需要使用强力混合机来混匀精矿粉和膨润土,但搅拌桨叶与物料之间的阻力大、磨损严重、使用寿命短-4。为解决上述问题,在新型强力混合机的研发过程中,考虑将射流技术应用于混合机搅拌桨叶,即在桨叶末端与粉体接触面上设置微孔,利用从微孔中喷射出来的高压气流来冲击待混物料,以达到破散粉体物料的结块,同时在桨叶与物料之间形成气膜,以达到降低桨叶磨损的目的。

  国内外学者已针对气体射流冲击的试验开展了诸多研究,如Xu 等先后对圆形自由射流的基本形态进行了实验,发现了射流过程中轴向射流的卷吸和扩散作用; 高振江对气体射流冲击颗粒物料的干燥机理和参数进行了实验,得到了最佳喷嘴高度与直径比为6: 1; Andrei 等通过实验和理论方法研究了高速喷气射流对脆性固体材料冲击力的影响,发现固体材料的破坏性与材料有关,破坏程度随着喷嘴口径的增大而提高,为蒸汽管外表面的沉积物清除提供了参考方法; Alan等针对轴对称合成喷气射流的流态特征,采用多种行程长度和喷嘴直径进行实验,得到了喷嘴直径和行程对喷气射流混合效果的影响; 华明等利用ADV( Acoustic Doppler Velocimeter) 技术对圆射流流场紊动特性进行了研究,指出射流轴向截面的流速分布相似,且服从高斯分布。

  上述文献主要研究了射流的基本形态,而当利用高压气体射流来冲击粉体物料时,有关其工艺和结构参数的选取未见相关报道。因此,在构建实验测试平台的基础上,对利用高压气体来冲击粉体物料的相关工艺参数进行研究,所得结果可为利用高压气体射流冲击粉体物料的工程应用提供指导。

  1 试验材料及装置

  本文研究粉料的主要成份为铁精矿粉和膨润土,其中膨润土的质量分数为3 %; 粉料的总孔隙率为0. 57,抗剪强度为0. 028 MPa,内摩擦角为14. 6°,其它参数见 所示。

  射流冲击试验装置的示意图如 所示。试验操作台可以任意方向移动,方便移动喷嘴到需要的位置; 控制仪表包括截止阀、减压阀、流量计、电磁阀,用以调节不同的射流参数。态试验,即在不同压强下,单孔及九孔喷嘴直接冲击水面,观察射流冲击的形态; 第二阶段探讨射流喷距试验,即分析不同喷距下气体冲击电子称时所产生的“质量”大小,为粉料试验提供喷距参考值; 第三阶段为射流冲击粉料试验,即分析不同射流压强、时间、喷距、喷嘴形式下的冲击效果。

  2 试验结果与分析

  2. 1 射流形态试验

  射流形态试验如 所示,此时气体压强为0. 2 MPa,喷嘴距水面距离0,喷嘴直径0. 5 mm。即将喷气射流垂直冲击水面,以便于在水中观察喷气射流的形态。通过实验发现最大的穿透深度不在喷嘴正下方,且“气泡团”具有一定规律绕中心旋转。其原因为: 射流存在柯安达附壁现象,喷射出口流道两侧的附壁强度不平衡,因而造成射流两侧流速不相等,易在射流低压区交替形成旋涡。

  2. 2 射流喷距试验

  根据射流理论可知,射流能量沿射流轴向产生衰减和扩散,即喷距增大时,射流冲击的有效作用面增大,而有效冲击力不一定增大,因此需要确定最佳喷距。

  为确定喷距与有效冲击力的关系,进行了单孔、九孔喷嘴射流的喷距试验,即让连续射流气体垂直冲击电子称的平板,通过电子称上的质量读数来反应其平均冲击力的大小,所得结果可为理论最佳喷距的的选取提供参考。

  通过对单孔、九孔喷嘴在不同喷距下的实验测试,得到了不同压强下质量读数随喷距的变化关系如 所示。从 可以看到,当喷距增大时,其冲击质量也增大,而当喷距大于20 mm 时,其冲击质量趋于稳定。其主要原因是当喷距较小时,气流产生的接触面积较小,而当喷距增大时,尽管接触面积也增大,但此时冲击力会降低; 当喷距大于20 mm 时,此时单位面积上受到的冲击力大小基本不变,因此可确定20 mm 的喷距为实现节省射流能量的最佳喷距。同时对比a) 和b) 可知,9孔喷嘴的喷射能力约为单孔喷射的8 倍。

  2. 3 射流冲击试验

  喷气射流冲击堆积粉料的试验主要包括冲击深度、切割宽度、破料体积及渗透性能,其中任一参数可作为射流冲击效果的评价指标。

  1) 气体渗透性

  气体渗透距离h 与渗透时间t 的关系式为式中: k 为矿料堆的渗透率,μm2 ; μ 为气体的粘度,mPa·s; p0为孔隙气体初始压力,MPa; pe为孔隙气体初始压力,MPa; R0为渗流初始半径,mm; Re为渗流半径,mm; n 为矿料的孔隙率。

  通过实验分别测得在不同压强、喷嘴条件下渗透距离随时间的变化关系如 所示。由 可知,随着时间增加,射流的渗透距离先是迅速增大,随后其增大减缓且按一定规律变化。其主要原因是: 开始时物料间存有孔隙,物料与气流之间的压差大,从而使渗透距离增加快,随着气体慢慢填充空隙后,它们之间的压差逐渐减小,使得渗透距离增加缓慢。同时从 也可以看到,在其他条件一定的情况下,气体的渗透距离随射流压强的增大而增大。

  2) 喷嘴形式

  在最佳喷距( 20 mm) 和压强( 0. 5 MPa) 时,不同喷嘴在冲击时间分别为20 s 和1 s 时的冲击结果如、 所示。

  由 可知,射流冲击坑的形状不规则且未在冲击平面的正中央,其形状类似火山口; 将 与 进行比较, 所示的冲击坑尺寸明显偏小,这说明射流破坏能力不仅与物料强度的破坏极限相关,而且还与其裂纹扩展时引起更大破坏所需的时间有关。

  3) 喷距

  在压强为0. 5 MPa、喷距为0 时,采用单孔喷嘴对堆积粉料喷射3 次,得到的结果如 所示。其中冲击坑的尺寸分别为: 92 mm× 75 mm× 88 mm、102 mm×97 mm×67 mm、82 mm×67 mm×93 mm。 单孔喷射的冲击结果从 可以看到,在喷距相同时,冲击效果有所差异,这与喷射位置处物料层的堆积状态有关。

  当射流冲击物料时,受到来自坑底物料堆的阻挡作用,高压气流会沿着薄弱处扩展,使冲击能量分散,最终冲击深度不再增加。若冲击路线中无较大强物料颗粒阻挡,其冲击效果较好,冲击坑形状具有一定相似性,如( a) ) 和( c) ) ; 若冲击路线中出现较大物料块的阻挡,其冲击难度增加,冲击深度也会降低,从而使冲击坑的直径增大,如( b) ) 。

  在压强为0. 5 MPa,喷距分别为: 0、10 mm、20 mm、30 mm 时,采用单孔喷嘴喷射物料层,得到的结果如 所示。其中冲击坑的尺寸分别为: 82 mm×67 mm×93 mm、71 mm×77 mm×98 mm、76 mm×80 mm×100 mm、73 mm×77 mm×90 mm。

  从 可以看到,在喷距为20 mm 时的冲击深度要大于喷距为0、10 mm、30 m 时的深度,再次验证了射流喷距实验得出的结论。

  4) 压强

  喷嘴形式: 单孔、9 孔; 喷距: 0、20 mm; 冲击时间: 20 s。通过冲击实验得到射流压强与最大孔深之间的关系如 所示。

  不同压强下射流冲击坑的深度从 可知,冲击坑深度与喷射压强呈近似正比关系。相同压强下,单孔喷嘴在喷距20 mm 时的喷射深度要明显优于喷距0,而9 孔喷嘴则相反,同时9 孔喷嘴的冲击深度约为单孔喷嘴的1. 5 倍。其中在压强为0. 2 ~ 0. 3 MPa 时,钻孔深度增加缓慢;当压强为0. 3 ~ 0. 5 MPa 时,钻孔深度增加较快,说明在此压强范围内其射流能量较高; 当压强为0. 5~0. 6 MPa 时,钻孔深度增加缓慢并趋于稳定。

  5) 时间

  为确定时间与冲击结果的关系,利用气体射流冲击堆积粉料约1 s,得到的最大冲击深度与压强的关系如 所示。

  对 和 进行对比可知,在不同冲击时间作用下,冲击深度与压强之间的变化规律基本相同,即两者呈现正比关系,但9 孔喷嘴的冲击效果受时间长短影响较大; 比较不同压力的最大孔深值,可得到冲击20 s 时的穿透能力约为1 s 时的2 倍。

  本文的试验得到了不同压强条件下,单孔、9 孔喷嘴射流冲击堆积物料的孔深h,可为工程应用提供指导。例如,搅拌桨叶以速度ω 在混合桶中旋转,经过时间1 s 搅拌桨叶末端运动的距离约为ω·r,式中r 为搅拌桨的长度。若ω·r≤h,即搅拌桨末端与物料隔离,能起到气垫保护作用,达到防磨作用; ω·r>h,则搅拌桨与物料之间不完全隔离,存在阻力,此时空气射流对桨叶末端附近物料有一定的疏松作用,对搅拌桨有一定的降磨作用。

  6) 模拟射流冲击效果

  用Fluent 软件模拟了单孔喷嘴直径0. 5 mm、喷距20 mm 工况下空气射流冲击堆积粉料的过程,得到了不同射流压强下所形成的冲击坑如 所示。 不同压强下的冲击坑形状由 可知,在射流冲击作用下粉体物料层内出现了凹陷的冲击坑,且坑附近的粉体物料向外凸起,其入孔半径小于孔底部的半径; 冲击坑的半径和深度随射流压强的增加而增大,且当射流压强达到0. 5 MPa 时,冲击坑的半径与深度变得平缓。

  3 结论

  1) 射流形态试验表明: 由于存在附壁效应,喷射最深距离偏离中心位置。

  2) 射流喷距试验表明, 20 mm 为射流冲击的最佳喷距。

  3) 射流冲击堆积物料试验表明: 射流压强在0. 3 ~ 0. 5 MPa 时,冲击坑深度增加较快,而0. 5 ~0. 6 MPa 时,增加缓慢,因此射流压强可选为0. 5 MPa; 单孔喷嘴喷距20 mm 的喷射效果明显优于喷距0,而9 孔喷嘴则反之,则最佳喷距20 mm 只适用于单孔喷嘴; 9 孔喷嘴的钻孔体积约为单孔喷嘴的5 倍,穿透深度约为1. 5 倍; 射流冲击时间20 s时的穿透能力约为1 s 的2 倍。

  4) 仿真分析结果与实验测试结果非常吻合,因此对于直径为0. 5 mm 的单孔喷嘴,其最佳工艺参数可取为: 喷距为20 mm,喷射压强为0. 5 MPa; 而对9 孔喷嘴,则其工艺参数可取为: 喷距为0,喷射压强为0. 5 MPa。

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