粉体设备中料斗设计数据的分析和确定

在粉体设备行业中，颗粒物料处理设备的设计过程中忽略物料的特性或是料性数据掌握得不够准确， 都将导致设备在实际运行中出现各种各样的故障， 影响企业的正常生产活动。在设计时， 充分考虑到设备将来的运行工况，并对物料的料性进行测试， 为优化设计提供理论依据.

粉体内任一点的莫尔应力圆在IYF的下方时，粉体将处于静止状态；粉体内某一点的莫尔应力圆与IYF相切时，粉体处于临界流动或流动状态

把莫尔应力圆与库仑抗剪强度线相切时的应力状态，破坏状态—称为莫尔－库仑破坏准则，它是目前判别粉体(粉体单元)所处状态的常用或基本的准则。

根据这一准则，当粉体处于极限平衡状态即应理解为破坏状态，此时的莫尔应力圆即称为极限应力圆或破坏应力圆，相应的一对平面即称为剪切破坏面（简称剪破面）。

对于非粘性粉体 τ=σtgφ_i      对于粘性粉体  τ= c +σtgφ_i

Molerus Ⅰ类粉体：初始抗剪强度为零的粉体

Molerus Ⅱ类粉体：初始抗剪强度不为零，但与预压缩应力无关的粉体

Molerus Ⅲ类粉体：初始抗剪强度不为零，且与预压缩应力有关的粉体，内摩擦角也与预应力有关

7.3. 粉体的屈服轨迹YL

7.4.料斗半顶角

料仓流型设计, 就是根据仓存物料的特性(有效内摩擦角Φ_i和壁面摩擦角φ_w) , 确定出一个料斗半顶角θ) ，确定一个合适的料斗半顶角θ,目的是为了适应所选择的流型。料仓下料不畅,关键是倾斜角小于物料安息角所致。整体流仓必须保证料仓各个部位的倾斜角大于物料的安息角。形成整体流的必要条件是料斗半顶角θ要小于θmax

7.5. 卸料口径

正确选择卸料口径是防止料仓中产生结拱现象的基本方法，设计料仓时应仔细考虑。影响卸料口径的主要因素有：物料的流动性、物料粒度和均匀性，以及要求的卸料速度等。

对于整体流料仓, 卸料口尺寸太小, 将会形成料拱(或称架桥) 。设计计算时, 用一定性尺寸B来描述卸料口的大小。对于圆形卸料口, B 等于卸料口直径; 对于方形卸料口, B 为对角线长度; 对于缝形卸料口, B 为缝宽( L≥3 B , L 为缝长)。

7.6. 机械拱和粘性拱

对于平均直径较大( > 3000μm) 的颗粒体, 易形成机械拱

对于平均直径较小的粉体物料, 不产生粘性拱的小卸料口尺寸

对于圆形和方形卸料口, i = 1 ; 对于缝形卸料口( L ≥3B) , i = 0

a．料仓下部的锥面倾角对物料在仓内的流动有重大影响；

b．至少要等于物料的休止角，必须大于物料与仓壁的摩擦角，否则，物料就不能全部从仓内流出；

c．一般锥面倾角要比摩擦角大5 °～10°，比储存物料的自然休止角约大10°～15°。对于整体流的料仓，锥面倾角一般取 55°～75°。考虑到较大的倾角会使建筑高度增加，对于直径大于6m的料库，宜采用2～4个卸料口。

d．减小粉体的壁摩擦角及料仓锥形部分的倾斜角，可以使料仓内的粉粒体呈整体流；反之，成漏斗流。

6).屈服轨迹－失效时剪切应力与正应力的关系曲线。屈服轨迹(YL)有时被称为瞬时屈服轨迹来区分于时间屈服轨迹。

屈服轨迹由粉体的剪切试验确定：一组粉体样品在同样的垂直应力条件下密实，然后在不同的垂直压力下，对每一个粉体样品进行剪切破坏试验。在这种特殊的密实状态中，得到的粉体破坏包络线称为该粉体的屈服轨迹。

10).流动函数FF－特定散装固体的无侧限屈服强度和主要固结应力的关系曲线。

有时也称做开裂函数，是由Jenike提出的，用来表示松散颗粒粉体的流动性能。

松散颗粒粉体的流动取决于由密实而形成的强度。

当f_c=0时，FF=¥，即粉体*自由流动

流动性的标准分级如下：
FF <1 不流动，凝结
1< FF <2 很粘结，附着性强，流不动
2< FF <4 粘结，有附着性
4< FF <10 容易流动
10< FF 自由流动
影响粉体流动性的因素

• 粉体加料时的冲击：冲击处的物料应力可以高于流动时产生的应力；
• 温度和化学变化：高温时颗粒可能结块或软化，而冷却时可能产生相变，这些都可能影响粉体的流动性；
• 湿度：湿料可以影响屈服轨迹和壁摩擦系数，而且还能引起料壁黏附；
• 粒度：当颗粒变细时，流动性常常降低，而壁摩擦系数却趋于增加；
• 振动：细颗粒的物料在振动时趋于密实，引起流动中断。

11).料斗－料仓结构的融合部分。

23）.壁屈服轨迹WYL－壁剪切应力与壁正应力的关系曲线。壁摩擦角由壁屈服轨迹获得，为壁剪切应力与壁正应力比率的反正切。

7.7.料仓中大主应力σ₁

大主应力σ₁。该应力与料仓中的料位高度H 有关, 在筒仓部分, σ₁ 随料深按指数规律增加; 在筒仓与料斗的相接处, σ₁ 达大; 在料斗部分, σ₁ 线性递减, 至料斗顶角处, σ₁ 降至零。σc 随σ₁ 的增加而增加, σc 在h = 0 和h =H 处并不等于零, 这是由粉体的粘性所致。粉体物料的开放屈服强度σc , 可由试验确定料拱脚处的支承反作用主应力σ, 简称反作用主应力, 又称破拱主应力。它主要取决于料斗半顶角和料拱跨度W 等。由

于σ正比于料拱跨度W , 故在筒仓部分σ为一常数, 在料斗部分σ线性减至零。

7.8. 粉体物料的临界开放屈服强度

指的是相应于两条曲线σ= f (σ1 ) 与σc = F (σ1 ) 的交点的开放屈服强度。

7.9. 粉体在料仓中的流动模式

仓中物料呈现的流动模式是理解作用于物料或料仓上各种力的基础。

仓壁压力不仅取决于颗粒料沿仓壁滑动引起的摩擦力，而且还取决于加料和卸料过程中形成的流动模式。

漏斗流模式：在平底或带料斗的料仓中，由于料斗的斜度太小或斗壁太粗糙，颗粒料难以沿斗壁滑动，颗粒料是通过不流动料堆中的通道到达出口的。这种通道常常是圆锥形的，下部的直径近似等于出口有效面积的大直径。这种流动模式也称为“核心流动”

• 当通道从出口处向上伸展时，它的直径逐渐增大，如图5-19所示。
• 如果颗粒料在料位差压力下固结，物料密实且表现出很差的流动性，那么，有效的流动通道卸空后，就会形成穿孔或管道，如图5-20所示。
• 情况严重时，物料可以在卸料口上方形成料桥或料供，如图5-21所示。
• 这种流动通道周围的物料可能是不稳定的，在这种情况下，物料将产生一停一开式的流动、脉冲流动或不平稳流动。这些脉冲可以导致结构的破损。

• 整体流模式这种流动发生在带有相当陡峭而光滑的料斗筒仓内，物料从出口的全面积上卸出。
• 整体流中，流动通道与料仓壁或料斗壁是一致的，全部物料都处于运动状态，并贴着垂直部分的仓壁或收缩的料斗壁滑动。
• 如果料面高于料斗与圆筒转折处上面某个临界距离，那么料仓垂直部分的物料就可以拴流形式均匀向下移动。
• 如果料位降到转折点以下，那么通道中心处的物料将流得比仓壁处的物料为快。

• 这种流动发生在带有相当陡峭而光滑的料斗仓内，物料从出口的全面积上卸出。整体流中，流动通道与料仓或料斗壁是一致的，全部物料都处于运动状态，并贴着垂直部分的仓壁和收缩的料斗壁移动。
• 如果料面高于料斗与圆筒转折处上面某个临界距离，料仓垂直部分的物料就以栓流形式均匀向下移动。料位降到该处以下，通道中心的物料将流得比仓壁处的物料为快。
• 目前，这个临界料位的高度还不能准确确定，它是物料内摩擦角、料壁摩擦力和料斗斜度的函数。
• 避免了粉料的不稳定流动、沟流和溢流。
• 消除了筒仓内的不流动区。
• 形成了先进先出的流动，大限度地减少了存储期间的结块问题、变质问题或偏析问题。
• 颗粒的偏析被大大的减少或杜绝。
• 颗粒料的密度在卸料时是常数，料位差对它根本没有影响。这就有可能用容积式拱料装置来很好地控制颗粒料，而且改善了计量式喂料装置的性能。

• 由图可知，f_c值和s₁值的两条直线相交于一个临界值，由此可以确定料拱的尺寸B。根据流动不流动判据，交点以下，粉体物料形成足够的强度支撑料拱，使流动停止。该点以上，粉体物料的强度不够，不能形成料拱，就发生重力流动。

• 已经表明稳定料拱的拱脚上作用着主应力s₁，它与料拱的跨距B成正比。
• 作用在料拱脚处的主应力可以表示为：

式中，r_B-物料容积密度，B-卸料口宽度，q-料斗半顶角， m为料斗形状系数，轴线对称的圆锥形料斗，m=1;平面对称的楔形料斗，m=0

• 在相应的密实应力下，对粉体物料进行剪切试验，可以确定开放屈服强度f_c，由此可以建立该粉体物料的流动函数FF。

7.11流动因子ff：

用来描述流动通道或料斗的流动性。

式中，S（q）为应力函数，对于各种数值不同的有效内摩擦角、壁面摩擦角和料斗半顶角q，Jenike已经算出了它们的流动因素

• 作用在流动通道上的密实应力越高，作用在料拱上的应力越低，那么流动通道的流动性或料斗的流动性就越低。

流动函数FF和流动因素ff见上图。当密实主应力s₁大于临界密实主应力，位于f_c线之上的s₁线部分满足流动判据，处于料拱上的应力s₁超过料拱强度f_c, 则发生流动。 s₁小于临界密实主应力时，应力不足以引起破坏，将发生起拱。

• 物料在料仓中的运动模式应为整体流模式，不应出现漏斗流模式。
• 结拱的临界条件为FF=ff，即s₁=f_c。而形成整体流动的条件为FF>ff，即f_c<s₁。如以f_c,crit表示结拱时的临界开放屈服强度，则料口孔径为：

式中ρ_B—物料容积密度； B—卸料口宽度   H(θ)—料斗半顶角的函数

• 流动函数FF越大，粉体的流动性越好，它与粉体的有效内摩擦角δ有关；而流动因数ff越小，粉体在流动通道的流动性或料斗的流动性越好，流动因数是壁面摩擦角f’和料斗半顶角q的函数，壁面摩擦角f’越小，料斗半顶角q越小，料斗的流动性越好。
• 因此在料仓设计时，应尽量使料斗的半顶角小些，但这会增加料仓的高度。
• 料斗用材料的壁摩擦系数越小越好。这些材料包括聚四氟乙烯塑料、玻璃、各种环氧树脂涂料、不锈钢和超量高分子聚乙烯。料斗表面光滑，则可以适当增大料斗半顶角，从而降低整个料斗的高度。

• Janssen法确定整体流料仓小卸料口径步骤：

①作剪切测定，在s-t坐标上画出屈服轨迹，求有效内摩擦角d 、开放屈服强度f_C、壁摩擦角f_r；

②在流动型式判断图上的整体流区域中选择料斗半顶角q，并确定料斗的流动因数ff；

③从相应的摩尔圆上确定f_C及s₁值，做出流动函数FF曲线,并在同一座标中画出ff；

④算出小卸料口径。

7.12.颗粒储存和流动时的偏析

• 由于粒径、颗粒密度、颗粒形状、表面形状等差异，粉体层的组成呈不均质的现象称为偏析；
• 偏析现象在粒度分布范围宽的自由流动颗粒粉体物料中经常发生，但在粒度小于70mm的粉料中却很少见到；
• 粘性粉料在处理中一般不会发生偏析，但包含粘性和非粘性俩种成分的粉料可能发生偏析。

设备的设计

颗粒物料处理设备的设计过程中忽略物料的特性或是料性数据掌握得不够准确， 都将导致设备在实际运行中出现各种各样的故障， 影响企业的正常生产活动。在设计时， 充分考虑到设备将来的运行工况，并对物料的料性进行测试， 为优化设计提供理论依据， 这些只需很少花费的前期工作可大大地降低设备故障给企业造成的经济损失。料性测试结果的准确性、 一致性很大程度上依赖于操作者的实验水平和测试经验。因此， 需要制定详细的测试操作规范，既可以共享测试经验、 提高整体测试水平，又能降低人为因素的影响， 提高测试结果的准确性和一致性。