涡流分级机分级精度影响因素的研究进展

赵雪珍，周勇敏

(南京工业大学材料科学与工程学院, 江苏 南京 210009)

涡流分级机是粉体制备行业的重要设备之一。随着科技的发展，社会的进步，生产、实验中对于分级设备不仅要求其分割粒径小，而且要有较高的分级精度。涡流分级机作为第三代气流分级机，分级流场稳定、分级精度高、分级性能好，被广泛应用于众多领域。第三代涡流空气分级机分级精度的提高以及阻力损失的降低，仍有很大的潜力[1-2]。

1 涡流空气分级机的分级原理

涡流空气分级机的分级机理如下：物料从上方的进料口给入，经撒料盘后均匀抛向四周。气流从两个平行对称的进风口切向进入，并沿螺旋形蜗壳经环形安置的导风叶片进入转笼外边缘和导风片内边缘之间的环形区。由于风机的抽吸作用，在转笼中心形成负压，进入该环形区的气流将绝大部分进入转笼，并在转笼中心处作90°转弯沿轴向折向排出管流出。待分级的物料经撒料盘分散后，在重力的作用下进入到环形区，随气流抽吸带到转笼外边缘附近，此时物料颗粒在离心力和曳力的的作用下产生分级。细颗粒随气流排出，粗颗粒则与蜗壳壁相碰后落入底部的锥形排料斗排出[3-4]。

2 影响分级精度的因素

2.1 操作条件对涡流分级机分级精度的影响

涡流分级机的操作参数，主要包括进料速度、转子转速和风机风量。

进料速度直接影响分级机的粉体处理量和产量。从节能方面讲，应增大进料速率，但是在实际分级过程中，当其他操作参数不变时，随着进料速率的增加，分级机内固体颗粒浓度增大，粗细粉之间的碰撞、团聚现象加剧，分级效率和分级精度下降[1, 5]。

转子转速对涡流分级机分级精度的影响。分级机的转子是影响颗粒分级的主要因素之一。转速的增加，有利于切割粒径的减小，可以使颗粒所受的离心力大大增加，有利于细颗粒被甩出。同时，随着转速的提高，分级区域内气流的径向速度变小，而切向速度增加，这使得颗粒以较高的速度撞击到叶片上。这些颗粒与叶片撞击后，会发生弹跳，粗颗粒有可能被弹入叶轮内部，使得细粉中进入粗颗粒，影响了分级精度。因此，我们应尽量采取措施，减小气流的切向速度，增加气流的径向速度，以达到较高的分级精度[1,6-9]。

风机风量对涡流分级机分级精度的影响。风量也是涡流空气分级机操作中重要的工艺参数之一。一方面，风量的大小直接影响分级粒径的大小；另一方面，风量的大小还决定了气流承载物料的能力。如果风量太小，气流不能在分级区域内产生足够的曳力，不利于细粉的迅速排出，也影响涡流空气分级机的产量和分级效果[1, 9-11]。分级机的风量要选取一个合适的值，且要与转速配合好，以达到好的分级效果。从分级的实际过程来看，最好是在风量和转速都较高的情况下分级。

2.2 转子叶片对涡流分级机分级精度的影响

叶片数量对涡流分级机分级精度的影响。在气流流速相同的情况下，转子叶片增加有利于颗粒的分级，这是因为叶片数量少，流道相对长度缩短，增大了流道的扩散度，容易在流道中产生漩涡，叶片数增加，可减小叶道内轴向涡流的强度。同时，叶片数量增加，径向速度增大，切向速度减小，这有利于颗粒只受到向内的气体曳力和离心力的作用，减小颗粒与叶片的碰撞，有利于颗粒的分级[1,12-13]。

叶片倾角对涡流分级机分级精度的影响。叶片倾角对于分级精度也有影响。实验表明，负角度倾斜的叶片有利于达到较好的分级效果。在叶片角度为正角度时，如果增加叶片长度，也会得到较好的分级效果。在负角度的情况下，随着叶片长度的增加，非工作叶片末端的回流区越来越大，这种回流对其间颗粒产生较大的作用，不利于颗粒的分级[1,14-15]。

叶片型式对涡流分级机分级精度的影响。转子叶片型式对分级机分级精度也有很大的影响。传统的转子叶片为径向叶片，由于径向叶片间易产生惯性反漩涡流，使分级精度下降。惯性反漩涡会导致分割粒径在一定范围内分散，分级精度降低[16]。刘家祥、徐德龙指出，在转笼的径向叶片间增设窄叶片，可减小转笼径向叶片间的惯性反漩涡流，提高分级机的分级精度[2,17]。他们还研究了涡线型(流线型)叶片，研究结果表明，采用涡线型转子叶片，能有效降低惯性反漩涡的产生，提高分级机的分级精度[2]。

任朝富、刘继光等人研究了一种气流入口后弯、出口前弯的异形转子叶片(S型)并相应增大叶片间距，这样有效抑制了惯性反漩涡，利于细粉的进入和粗粉的抛出[18]。他们还研究了一种叶片外侧(气流入口处)后弯、内侧(气流出口处)前弯的“Z”字形转子叶片[19]。他们研究的这两种异形转子叶片结构不同，但是原理基本相同。入口后弯可减少叶片背风面的反漩涡，出口前弯可以使流体迅速流出，减少了出口处叶片背风面附近的回流现象。

黎国华等人利用CFD软件模拟了一种带后弯导板的新型叶片形状。研究表明，这种新型叶片可以抵消转子一定转速时产生的附加反漩涡，从而使流场稳定，容易形成整流，提高了涡流分级机的分级精度[20-21]。

2.3 物料分散对分级机分级精度的影响

为提高涡流空气分级机的分级精度，在分级之前，物料必须进行充分的分散。对于物料的分散主要有两个方面：一是物料分级前的预分散；二是分级机内的分散。分级机内的分散主要是不同型式撒料盘对物料的分散作用。在此主要讨论分级机内的分散对分级精度的影响。

屈鸿屋、李慧钧研究了机械撒料盘的工作原理。试验结果表明，盘面上有径向凸棱的平板撒料盘，对物料分散效果最好[22]。白宝同改造了离心分级机的撒料盘，结果使物料分散变好[23]。刘家祥、徐德龙等人研究了不同高度的径向凸棱撒料盘对分级精度的影响，他们还提出了一种改进的带径向凸棱的平板撒料盘。这种改进的带径向凸棱的平板撒料盘，可减小分割粒径，提高分级精度[24]。日本A.bition公司对O-sepa选粉机进行改造，生产的A-sepa选粉机采用蝶形撒料盘，即撒料盘外周部分向上翘起，中部焊有渐开线状的分料板。研究表明，这种撒料盘分散效果好，有利于分级精度的提高。

2.4 转笼通道型式对分级机分级精度的影响

转笼通道型式对涡流分级机的分级精度影响很大，常见的转子叶片间通道的横截面，随着半径减小而减小。付俊提出，转笼径向叶片间通道做成里大外小，可保证偶然进入转笼叶片通道中大于分割粒径的粗颗粒，在通过转笼叶片间通道时仍能被甩出，从而提高了分级精度[25]。刘家祥等人研究了里小外大、等宽道和里大外小3种转笼型式。研究指出：在转笼叶片数相等的情况下，通道型式按照里小外大、等宽道、里大外小的顺序，分割粒径由小变大，分级精度由大变小[2]。

2.5 导流特性对分级机分级精度的影响

导流叶片数量对导流效果的影响。 从理论上讲，增加导流叶片数量有利于流场均布，但是由经验公式p=K1S(p为经过导流叶片的阻力损失；K1为实验系数；S为导流叶片总表面积)。为取得较好的导流效果而增加叶片数量，将导致表面积增加，压力损失p增大，磨损加剧。

导流叶片型式对导流效果的影响。传统的导流叶片都是径向安装的平板导流叶片，易产生颗粒返混现象，影响分级效率和分级精度。李进春、李双跃等人研究的一种 “L”形导流叶片，可以使粗、细颗粒路径较清晰，分级过程稳定[26]。同时，叶片之间的气流通道外小内大，这样的设计有利于分级精度的提高。Seeker公司开发的非均布导流叶片，是在进风口气流较强处，叶片按某一规律分布较密，其余部分分布较稀。李双跃、李洪等人通过模拟，比较了以上两种异型导流叶片的导流效果。研究表明： “L”形导流叶片的导流效果较非均布导流叶片的导流效果略差[27]。

3 结 论

以上的论述，对于涡流分级机的设计具有很大的指导意义。在设计的时候，应该注意到以下几点：

(1) 物料的分散对分级精度有很大的影响。在设计涡流分级机的分散装置时，要同时考虑粉体的预分散和分级机内的分散。

(2) 转笼有圆柱形和圆锥形两种形式，在转速相等、风量和中位径相同的前提下，要获得同样的切割粒径，圆柱形转笼所需的叶片转速几乎是圆锥形叶片转速的两倍[28]。

(3) 转子叶片型式对于分级机分级精度的影响也很大。我们在设计转子叶片型式时，不仅要考虑转子叶片的形状，还要考虑叶片的数量和叶片安装角。

(4) 导流叶片应该能有效降低颗粒返混现象，导流叶片的形状、数量、安装角度，都是在设计时要考虑的因素。

(5) 在已开发研制的涡流分级机中，很多的分级机采用了三次空气。三次空气可以强化分级机对被分级物料的分散和分级作用，使分散和分级作用反复进行。但是，一般三次空气的风量为总风量的10%～15%，有限的风量和局部分选，很难产生明显效果，反而扰乱了上部分级室流场的稳定。因此，在设计分级机时，不宜采用三次风[29]。

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