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粉體設備中料斗設計數據的分析和確定

在粉體設備行業中，顆粒物料處理設備的設計過程中忽略物料的特性或是料性數據掌握得不夠準確， 都將導致設備在實際運行中出現各種各樣的故障， 影響企業的正常生產活動。在設計時， 充分考慮到設備將來的運行工況，并對物料的料性進行測試， 為優化設計提供理論依據.

粉體內任一點的莫爾應力圓在IYF的下方時，粉體將處于靜止狀態；粉體內某一點的莫爾應力圓與IYF相切時，粉體處于臨界流動或流動狀態

把莫爾應力圓與庫侖抗剪強度線相切時的應力狀態，破壞狀態—稱為莫爾－庫侖破壞準則，它是目前判別粉體(粉體單元)所處狀態的常用或基本的準則。

根據這一準則，當粉體處于極限平衡狀態即應理解為破壞狀態，此時的莫爾應力圓即稱為極限應力圓或破壞應力圓，相應的一對平面即稱為剪切破壞面（簡稱剪破面）。

對于非粘性粉體 τ=σtgφ_i      對于粘性粉體  τ= c +σtgφ_i

Molerus Ⅰ類粉體：初始抗剪強度為零的粉體

Molerus Ⅱ類粉體：初始抗剪強度不為零，但與預壓縮應力無關的粉體

Molerus Ⅲ類粉體：初始抗剪強度不為零，且與預壓縮應力有關的粉體，內摩擦角也與預應力有關

7.3. 粉體的屈服軌跡YL

7.4.料斗半頂角

料倉流型設計, 就是根據倉存物料的特性(有效內摩擦角Φ_i和壁面摩擦角φ_w) , 確定出一個料斗半頂角θ) ，確定一個合適的料斗半頂角θ,目的是為了適應所選擇的流型。料倉下料不暢,關鍵是傾斜角小于物料安息角所致。整體流倉必須保證料倉各個部位的傾斜角大于物料的安息角。形成整體流的必要條件是料斗半頂角θ要小于θmax

7.5. 卸料口徑

正確選擇卸料口徑是防止料倉中產生結拱現象的基本方法，設計料倉時應仔細考慮。影響卸料口徑的主要因素有：物料的流動性、物料粒度和均勻性，以及要求的卸料速度等。

對于整體流料倉, 卸料口尺寸太小, 將會形成料拱(或稱架橋) 。設計計算時, 用一定性尺寸B來描述卸料口的大小。對于圓形卸料口, B 等于卸料口直徑; 對于方形卸料口, B 為對角線長度; 對于縫形卸料口, B 為縫寬( L≥3 B , L 為縫長)。

7.6. 機械拱和粘性拱

對于平均直徑較大( > 3000μm) 的顆粒體, 易形成機械拱

對于平均直徑較小的粉體物料, 不產生粘性拱的小卸料口尺寸

對于圓形和方形卸料口, i = 1 ; 對于縫形卸料口( L ≥3B) , i = 0

a．料倉下部的錐面傾角對物料在倉內的流動有重大影響；

b．至少要等于物料的休止角，必須大于物料與倉壁的摩擦角，否則，物料就不能全部從倉內流出；

c．一般錐面傾角要比摩擦角大5 °～10°，比儲存物料的自然休止角約大10°～15°。對于整體流的料倉，錐面傾角一般取 55°～75°。考慮到較大的傾角會使建筑高度增加，對于直徑大于6m的料庫，宜采用2～4個卸料口。

d．減小粉體的壁摩擦角及料倉錐形部分的傾斜角，可以使料倉內的粉粒體呈整體流；反之，成漏斗流。

6).屈服軌跡－失效時剪切應力與正應力的關系曲線。屈服軌跡(YL)有時被稱為瞬時屈服軌跡來區分于時間屈服軌跡。

屈服軌跡由粉體的剪切試驗確定：一組粉體樣品在同樣的垂直應力條件下密實，然后在不同的垂直壓力下，對每一個粉體樣品進行剪切破壞試驗。在這種特殊的密實狀態中，得到的粉體破壞包絡線稱為該粉體的屈服軌跡。

10).流動函數FF－特定散裝固體的無側限屈服強度和主要固結應力的關系曲線。

有時也稱做開裂函數，是由Jenike提出的，用來表示松散顆粒粉體的流動性能。

松散顆粒粉體的流動取決于由密實而形成的強度。

當f_c=0時，FF=¥，即粉體*自由流動

流動性的標準分級如下：
FF <1 不流動，凝結
1< FF <2 很粘結，附著性強，流不動
2< FF <4 粘結，有附著性
4< FF <10 容易流動
10< FF 自由流動
影響粉體流動性的因素

• 粉體加料時的沖擊：沖擊處的物料應力可以高于流動時產生的應力；
• 溫度和化學變化：高溫時顆粒可能結塊或軟化，而冷卻時可能產生相變，這些都可能影響粉體的流動性；
• 濕度：濕料可以影響屈服軌跡和壁摩擦系數，而且還能引起料壁黏附；
• 粒度：當顆粒變細時，流動性常常降低，而壁摩擦系數卻趨于增加；
• 振動：細顆粒的物料在振動時趨于密實，引起流動中斷。

11).料斗－料倉結構的融合部分。

23）.壁屈服軌跡WYL－壁剪切應力與壁正應力的關系曲線。壁摩擦角由壁屈服軌跡獲得，為壁剪切應力與壁正應力比率的反正切。

7.7.料倉中大主應力σ₁

大主應力σ₁。該應力與料倉中的料位高度H 有關, 在筒倉部分, σ₁ 隨料深按指數規律增加; 在筒倉與料斗的相接處, σ₁ 達大; 在料斗部分, σ₁ 線性遞減, 至料斗頂角處, σ₁ 降至零。σc 隨σ₁ 的增加而增加, σc 在h = 0 和h =H 處并不等于零, 這是由粉體的粘性所致。粉體物料的開放屈服強度σc , 可由試驗確定料拱腳處的支承反作用主應力σ, 簡稱反作用主應力, 又稱破拱主應力。它主要取決于料斗半頂角和料拱跨度W 等。由

于σ正比于料拱跨度W , 故在筒倉部分σ為一常數, 在料斗部分σ線性減至零。

7.8. 粉體物料的臨界開放屈服強度

指的是相應于兩條曲線σ= f (σ1 ) 與σc = F (σ1 ) 的交點的開放屈服強度。

7.9. 粉體在料倉中的流動模式

倉中物料呈現的流動模式是理解作用于物料或料倉上各種力的基礎。

倉壁壓力不僅取決于顆粒料沿倉壁滑動引起的摩擦力，而且還取決于加料和卸料過程中形成的流動模式。

漏斗流模式：在平底或帶料斗的料倉中，由于料斗的斜度太小或斗壁太粗糙，顆粒料難以沿斗壁滑動，顆粒料是通過不流動料堆中的通道到達出口的。這種通道常常是圓錐形的，下部的直徑近似等于出口有效面積的大直徑。這種流動模式也稱為“核心流動”

• 當通道從出口處向上伸展時，它的直徑逐漸增大，如圖5-19所示。
• 如果顆粒料在料位差壓力下固結，物料密實且表現出很差的流動性，那么，有效的流動通道卸空后，就會形成穿孔或管道，如圖5-20所示。
• 情況嚴重時，物料可以在卸料口上方形成料橋或料供，如圖5-21所示。
• 這種流動通道周圍的物料可能是不穩定的，在這種情況下，物料將產生一停一開式的流動、脈沖流動或不平穩流動。這些脈沖可以導致結構的破損。

• 整體流模式這種流動發生在帶有相當陡峭而光滑的料斗筒倉內，物料從出口的全面積上卸出。
• 整體流中，流動通道與料倉壁或料斗壁是一致的，全部物料都處于運動狀態，并貼著垂直部分的倉壁或收縮的料斗壁滑動。
• 如果料面高于料斗與圓筒轉折處上面某個臨界距離，那么料倉垂直部分的物料就可以拴流形式均勻向下移動。
• 如果料位降到轉折點以下，那么通道中心處的物料將流得比倉壁處的物料為快。

• 這種流動發生在帶有相當陡峭而光滑的料斗倉內，物料從出口的全面積上卸出。整體流中，流動通道與料倉或料斗壁是一致的，全部物料都處于運動狀態，并貼著垂直部分的倉壁和收縮的料斗壁移動。
• 如果料面高于料斗與圓筒轉折處上面某個臨界距離，料倉垂直部分的物料就以栓流形式均勻向下移動。料位降到該處以下，通道中心的物料將流得比倉壁處的物料為快。
• 目前，這個臨界料位的高度還不能準確確定，它是物料內摩擦角、料壁摩擦力和料斗斜度的函數。
• 避免了粉料的不穩定流動、溝流和溢流。
• 消除了筒倉內的不流動區。
• 形成了先進先出的流動，大限度地減少了存儲期間的結塊問題、變質問題或偏析問題。
• 顆粒的偏析被大大的減少或杜絕。
• 顆粒料的密度在卸料時是常數，料位差對它根本沒有影響。這就有可能用容積式拱料裝置來很好地控制顆粒料，而且改善了計量式喂料裝置的性能。

• 由圖可知，f_c值和s₁值的兩條直線相交于一個臨界值，由此可以確定料拱的尺寸B。根據流動不流動判據，交點以下，粉體物料形成足夠的強度支撐料拱，使流動停止。該點以上，粉體物料的強度不夠，不能形成料拱，就發生重力流動。

• 已經表明穩定料拱的拱腳上作用著主應力s₁，它與料拱的跨距B成正比。
• 作用在料拱腳處的主應力可以表示為：

式中，r_B-物料容積密度，B-卸料口寬度，q-料斗半頂角， m為料斗形狀系數，軸線對稱的圓錐形料斗，m=1;平面對稱的楔形料斗，m=0

• 在相應的密實應力下，對粉體物料進行剪切試驗，可以確定開放屈服強度f_c，由此可以建立該粉體物料的流動函數FF。

7.11流動因子ff：

用來描述流動通道或料斗的流動性。

式中，S（q）為應力函數，對于各種數值不同的有效內摩擦角、壁面摩擦角和料斗半頂角q，Jenike已經算出了它們的流動因素

• 作用在流動通道上的密實應力越高，作用在料拱上的應力越低，那么流動通道的流動性或料斗的流動性就越低。

流動函數FF和流動因素ff見上圖。當密實主應力s₁大于臨界密實主應力，位于f_c線之上的s₁線部分滿足流動判據，處于料拱上的應力s₁超過料拱強度f_c, 則發生流動。 s₁小于臨界密實主應力時，應力不足以引起破壞，將發生起拱。

• 物料在料倉中的運動模式應為整體流模式，不應出現漏斗流模式。
• 結拱的臨界條件為FF=ff，即s₁=f_c。而形成整體流動的條件為FF>ff，即f_c<s₁。如以f_c,crit表示結拱時的臨界開放屈服強度，則料口孔徑為：

式中ρ_B—物料容積密度； B—卸料口寬度   H(θ)—料斗半頂角的函數

• 流動函數FF越大，粉體的流動性越好，它與粉體的有效內摩擦角δ有關；而流動因數ff越小，粉體在流動通道的流動性或料斗的流動性越好，流動因數是壁面摩擦角f’和料斗半頂角q的函數，壁面摩擦角f’越小，料斗半頂角q越小，料斗的流動性越好。
• 因此在料倉設計時，應盡量使料斗的半頂角小些，但這會增加料倉的高度。
• 料斗用材料的壁摩擦系數越小越好。這些材料包括聚四氟乙烯塑料、玻璃、各種環氧樹脂涂料、不銹鋼和超量高分子聚乙烯。料斗表面光滑，則可以適當增大料斗半頂角，從而降低整個料斗的高度。

• Janssen法確定整體流料倉小卸料口徑步驟：

①作剪切測定，在s-t坐標上畫出屈服軌跡，求有效內摩擦角d 、開放屈服強度f_C、壁摩擦角f_r；

②在流動型式判斷圖上的整體流區域中選擇料斗半頂角q，并確定料斗的流動因數ff；

③從相應的摩爾圓上確定f_C及s₁值，做出流動函數FF曲線,并在同一座標中畫出ff；

④算出小卸料口徑。

7.12.顆粒儲存和流動時的偏析

• 由于粒徑、顆粒密度、顆粒形狀、表面形狀等差異，粉體層的組成呈不均質的現象稱為偏析；
• 偏析現象在粒度分布范圍寬的自由流動顆粒粉體物料中經常發生，但在粒度小于70mm的粉料中卻很少見到；
• 粘性粉料在處理中一般不會發生偏析，但包含粘性和非粘性倆種成分的粉料可能發生偏析。

設備的設計

顆粒物料處理設備的設計過程中忽略物料的特性或是料性數據掌握得不夠準確， 都將導致設備在實際運行中出現各種各樣的故障， 影響企業的正常生產活動。在設計時， 充分考慮到設備將來的運行工況，并對物料的料性進行測試， 為優化設計提供理論依據， 這些只需很少花費的前期工作可大大地降低設備故障給企業造成的經濟損失。料性測試結果的準確性、 一致性很大程度上依賴于操作者的實驗水平和測試經驗。因此， 需要制定詳細的測試操作規范，既可以共享測試經驗、 提高整體測試水平，又能降低人為因素的影響， 提高測試結果的準確性和一致性。