第9章 粉體的流動性

第9章微粉學(xué)

第5節(jié)粉體的流動性第九章微粉學(xué)第五節(jié)粉體的流動性回顧粉體粉體

固體粒子的集合體固體粒子

與大塊固體相比較，相對微小的固體稱之為顆粒。根據(jù)其尺度的大小，常區(qū)分為顆粒、微米顆粒、亞微米顆粒、超微顆粒、納米顆粒等等。通常粉體工程學(xué)研究的對象，是尺度界于10-9m到10-3m范圍的顆粒。集合體

從顆粒存在形式上來區(qū)分，顆粒有單顆粒（單一粒子又被稱為一級粒子）和由單顆粒聚集而成的團聚顆粒（聚結(jié)粒子又被稱為二級粒子），因而粉體可以是由單一粒子構(gòu)成，也可以是由聚結(jié)粒子構(gòu)成，還可以是二者的混合體

粉體的物態(tài)特征具有與液體相類似的流動性具有與氣體相類似的壓縮性

具有固體的抗變形能力粉體的物態(tài)特征具有與液體相類似的流動性具有與氣體相類似的壓縮性具有固體的抗變形能力粉體的物態(tài)特征具有與液體相類似的流動性具有與氣體相類似的壓縮性具有固體的抗變形能力粉體的流動性原因淺析粉體之所以流動，其本質(zhì)是粉體中粒子受力的不平衡，對粒子受力分析可知，粒子的作用力有重力、顆粒間的黏附力、摩擦力、靜電力等，對粉體流動影響最大的是重力和顆粒間的黏附力重力流動種類瓶或加料斗的流出現(xiàn)象或操作流出速度壁面摩擦角休止角流出界限孔徑流動性的評價方法其他流動性的分類與評價方法粉體流動性的種類以及評價方法種類現(xiàn)象或操作流動性的評價方法重力流動瓶或加料斗中的流出旋轉(zhuǎn)容器型混合器，充填流出速度、壁面摩擦角休止角、流出界限孔徑振動流動振動加料，振動篩充填，流出休止角、流出速度、壓縮度、表觀密度壓縮流動壓縮成形（壓片）壓縮度、壁面摩擦角、內(nèi)部摩擦角液態(tài)化流動流化層干燥，流化層造粒顆粒或片劑的空氣輸送休止角、最小流化速度休止角定義休止角與流動性的關(guān)系

定義在粉體堆上，粉末下滑的表面與水平面之間的最大可能角度粉體流動性的評價方法—休止角定義在粉體堆上，粉末下滑的表面與水平面之間的最大可能角度，常用ψ表示表達式在下滑面上粒子間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與粒子所受到的重力相平衡，使休止角為定值，ψ角的正切就等于粒子間的摩擦系數(shù)

utanψ=u=h/r休止角與粉體流動性的關(guān)系一般來講，當休止角≤30o時，流動性良好，當休止角在3045o時，流動性較好，當休止角45o60時，流動性較差，當休止角在6090時，流動性差，局限性用休止角評價粉體的流動性能，只能大致定性地表示流動性的好壞，或者用于比較同種粉體因粒度和水分等引起的流動性差別。休止角的測定方法注入法擠出法容器傾斜法

粉體流動性的測定方法粉體流動性的測定方法常見的有注入法、排出法、容器傾斜法等等常用的方法是固定圓錐法（亦稱殘留圓錐法）。固定圓錐法將粉體注入到某一有限直徑的圓盤中心上，直到粉體堆積層斜邊的物料沿圓盤邊緣自動流出為止，停止注入，測定休止角α。hrtgα=h/r粉體流動性的影響因素04加入潤滑劑（滑石粉、硬脂酸鎂等）細粉，可降低粒子間的內(nèi)聚力，改善表面粗糙度，從而改善粒子的流動性一般加粉體量的1%潤滑劑細粉02粒子形狀

03在吸濕曲線上，引起粉體大量吸濕的相對濕度（CRH）,CRH越小，粉末越容易吸濕，休止角就越大，粉體流動性就越小吸濕性

01粒度影響粉體流動性的因素01020304影響粉體流動性的因素粒度

一般來講，粒徑下降，粒子間內(nèi)聚力上升，摩擦阻力加大。粒徑＞200um,粉體流動性好，粒徑＜100um,粒子內(nèi)聚力超過所受重力，粒子易聚集，流動性差。粒子形狀

粒子形狀越不規(guī)則，偏離球形越遠，表面越粗糙，休止角就越大，流動性越小。吸濕性

在吸濕曲線上，引起粉體大量吸濕的相對濕度（CRH）,CRH越小，粉末越容易吸濕，休止角就越大，粉體流動性就越小潤滑劑細粉

加入潤滑劑（滑石粉、硬脂酸鎂等）細粉，可降低粒子間的內(nèi)聚力，改善表面粗糙度，從而改善粒子的流動性一般加粉體量的1%AMETAMETCB粉體流動性差時，可以加入100um的玻璃球助流流出速度越大，粉體流動性越好是將物料加入容器中，測出全部物料流出所需的時間AMETA流出速度（flowvelocity)粉體流動性的應(yīng)用粉體的流動性在粉體工程設(shè)計中應(yīng)用范圍很廣，粉體的流動性對其生產(chǎn)、輸送、儲存、裝填以及工業(yè)中的粉末冶金、醫(yī)藥中不同組分的混合、農(nóng)林業(yè)中殺蟲劑的噴撒等工藝過程都具有重要的意義。在水泥廠中，許多操作過程都會涉及到粉體的重力流動。研究粉體的流動性能，對于粉體設(shè)備的設(shè)計，都具有十分重要的意義粉體的流動性對顆粒劑、囊膠劑、片劑等制劑的重量差異以及正常的操作有很大影響。定義壓縮度與流動性LOREMLOREM1234壓縮度（compressibility)壓縮度是粉體流動性的重要指標，其大小反映粉體的凝聚性，松軟狀態(tài)壓縮度20%以下的流動性較好，壓縮度增大時，流動性下降

一種表征粉體流動性的新方法

歐陽鴻武，黃誓成，王瓊，劉卓民

(中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，長沙410083)

摘要：粉體同時具有固體和流體的特征，粉體的“固?液”轉(zhuǎn)變和表征粉體流動性成為粉體科學(xué)與工程中的一個熱點和難點問題。根據(jù)低速轉(zhuǎn)鼓中顆粒物質(zhì)表面流動層剪切率γ的線性特征，提出將tγ=1/γ(即顆粒物質(zhì)發(fā)生剪切變形的時間)作為表征粉體流動性的參數(shù)，并提出相應(yīng)的測量和計算方法，其結(jié)果與采用霍爾流量儀測得的數(shù)據(jù)在特定條件下有良好的一致性。顆粒物質(zhì)流動不僅對顆粒表面粗糙度及形狀非[3]，個顆粒組成的四面體結(jié)構(gòu)[27]，當傾斜度較低時顆粒能保持穩(wěn)定，當斜面傾斜度達到一個臨界值面的顆粒，產(chǎn)生一個顆粒尺寸的相對位移，顆粒物質(zhì)打破原來的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生運動，如圖4所示。顯然，在不同剪切程度下顆粒的運動狀態(tài)不同。顆運動狀態(tài)取決于一個無量綱的慣性數(shù)I[23]，它描述了上層顆時間tγ(表示上下兩層顆粒發(fā)生相對位移為一個顆粒直I=tp/tγ。根據(jù)I的大小可以將顆粒的運動分為3種狀態(tài)[23]：I≤0.01對應(yīng)于土力學(xué)中的蠕變狀態(tài)；0.01≤I≤0.2，對應(yīng)于動力學(xué)理論的致密流動；I≥0.2，則對應(yīng)于稀疏流動。研究表明[3,25]

：不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)鼓直徑下從渦心到自由表面的致密流動區(qū)域內(nèi)顆粒的剪切變形速率都具有線性變化特征，平均剪切率γ體現(xiàn)了顆粒流動的平均剪切變形能力，綜合體現(xiàn)了顆粒尺寸、形狀、摩擦因數(shù)及流動狀態(tài)等因素的影響。

為此，提出用致密顆粒流動層內(nèi)平均剪切速率γ的倒數(shù)，即顆粒物質(zhì)的剪切變形時間tγ來表征顆粒物質(zhì)的流動性：

tγ=1/γ

(1)

通過測量顆粒物質(zhì)的平均剪切率γ，就可以得到tγ，以此表征顆粒物質(zhì)的流動性。

圖3

斜面上顆粒物質(zhì)穩(wěn)定模型

Fig.3Stabilitymodelofgranularmatterininclinedplane

圖4顆粒剪切變形時間tγ和重排時間tp物理含義示意圖

Fig.4

Schematicshowingphysicalmeaningofdeformationtγ

andrearrangedtimescaletp

2.1.2顆粒物質(zhì)剪切率及其影響因素

顆粒在轉(zhuǎn)鼓中的運動有一個顯著特點，即可以大致分為流動表層和靜止底層兩個區(qū)域，將顆粒物質(zhì)從靜止狀態(tài)發(fā)展到流動、再由流動通過堵塞轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止的全過程有機地統(tǒng)一起來。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)速度，可控制顆粒物質(zhì)的流動過程與流動狀態(tài)。靜止層(渦心以下區(qū)域)與流動層(渦心以上區(qū)域)單位寬度顆粒流率Q下和Q上分別為(坐標系如圖2所示)：

中國有色金屬學(xué)報2008年12月

22102)(d22

hRyyQRh?==∫ωω下

(2)

2dd2

0

0

γγhyyyvQhh===∫∫上

(3)

其中

R為轉(zhuǎn)鼓半徑，h為流動層厚度(顆粒直徑的倍數(shù))，ω為轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，v為顆粒流動速度，y為圖2坐標中顆粒沿y軸到原點o的距離。由于靜止層與流動層的運動方向相反，根據(jù)轉(zhuǎn)鼓中質(zhì)量流守恒，則有Q下=Q上，可推出流動層中顆粒的平均剪切率γ：

]1)/[(2?=hRωγ

(4)

通過實驗測量不同轉(zhuǎn)速下表面流動層的厚度h，從而確定流動層的平均剪切率。將式(4)代入式(1)可得到tγ的表達式：

]1)/[(12?=hRtωγ

(5)

由于tγ為h和ω的函數(shù)，耦合了顆粒物質(zhì)的物性(形狀、尺寸等)、剪切膨脹的基本物理特征及轉(zhuǎn)速ω(運動狀態(tài))的影響[28]。流動層厚度h的變化(伴隨顆粒物質(zhì)密度的改變和流速的變化)體現(xiàn)了顆粒物質(zhì)在不同轉(zhuǎn)速下運動狀態(tài)的改變。對于同一顆粒材料，隨著轉(zhuǎn)速的改變tγ會發(fā)生相應(yīng)變化，所以流動層厚度h能很好地體現(xiàn)運動過程的變化情形?？梢姡w粒物質(zhì)的剪切變形時間tγ能充分反映顆粒物質(zhì)從靜態(tài)到動態(tài)變化時的狀態(tài)與過程，以及保持運動狀態(tài)的能力。用tγ表征顆粒物質(zhì)流動性不僅物理概念清晰，而且測量過程的可操作性和重復(fù)性強。

2.2

幾種顆粒材料流動性的表征

根據(jù)實驗測得不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)鼓中顆粒流動層厚度及式(5)，繪制tγ與ω的關(guān)系，如圖5所示。由圖5可以看出在同一轉(zhuǎn)速下，0.104mmCuP粉、0.05mm鐵粉和0.104mm沙子3種粉末的平均剪切變形時間依次變大，所以它們的流動性也依次降低，這與漏斗中預(yù)測的結(jié)果和運用動力學(xué)安息角預(yù)測結(jié)果都具有定性的一致。結(jié)果表明：

1)顆粒物質(zhì)的流動性不是一個定值，在不同運動條件或運動狀態(tài)下(如轉(zhuǎn)速改變)，“流動性”將發(fā)生變化。盡管致密流動層內(nèi)顆粒的剪切率成線性關(guān)系，但顆粒流是非牛頓流體，在轉(zhuǎn)鼓中其運動狀態(tài)隨轉(zhuǎn)速的改變而變化，當轉(zhuǎn)速提高接近9r/min時，3種不同顆粒物質(zhì)的tγ值逐漸達到相近的飽和值。這一方面說明外界條件的變化對于顆粒剪切能力有重要影響，另一方面也表明，在一定條件下不同顆粒物質(zhì)的流動性可能會趨于一致。

2)不同的顆粒(如粒徑大小、形狀不同)流動性存在一定差別。在特定條件和狀態(tài)下，顆粒物質(zhì)的流動性具有穩(wěn)定性，測量結(jié)果重復(fù)性較好。BONAMY等[3,27]研究發(fā)現(xiàn)球形顆粒在轉(zhuǎn)鼓中穩(wěn)定流動時的剪切率基本相同，近似等于dg/5.0。由于本研究中的顆粒物質(zhì)是具有一定粒度分布的異形粉末，其實驗結(jié)果有別于單一尺度球形顆粒的流動性。這表明異形粉末的剪切率因顆粒形狀的改變而偏離了球形顆粒的特征，說明顆粒形貌的變化將顯著地影響顆粒物質(zhì)的物性。

3)tγ耦合了顆粒物質(zhì)的特征長度、邊界/外部條件及顆粒物性對其流動性的影響，深刻地反映了顆粒剪切變形能力隨著流動狀態(tài)和過程的變化而改變的特征，用其來表征顆粒流動性具有可行性。測量顆粒物質(zhì)在轉(zhuǎn)鼓中流動層厚度隨轉(zhuǎn)速的變化情況(處于穩(wěn)定流動時)，得到地結(jié)果與霍爾流動測試結(jié)果具有良好的一致性，可區(qū)分不同顆粒物質(zhì)或不同流動狀態(tài)下流動性的差異，表明將轉(zhuǎn)鼓作為測量顆粒物質(zhì)流動性的裝置具有可行性、良好的操作性和測量的準確性，也避免了其他流動性測量方法的不足。

圖5

剪切變形時間隨轉(zhuǎn)速的變化

Fig.5Relationsbetweenshearingdeformationtimeandrotatingvelocity

3結(jié)論

1)顆粒間的剪切變形速率反映了顆粒物質(zhì)抗剪切或保持穩(wěn)定流動狀態(tài)的能力。采用剪切變形時間tγ作為顆粒物質(zhì)流動性的表征參數(shù)，不僅反映出顆粒流動的狀態(tài)特征，還綜合了顆粒物性的影響。

2)根據(jù)轉(zhuǎn)鼓中顆粒物質(zhì)流動層厚度或自由表面傾角，獲得流動層的剪切速率，進而計算得到顆粒物第18卷第12期

歐陽鴻武，等：一種表征粉體流動性的新方法

2211質(zhì)的流動性，方法簡便可靠，具有良好的一致性，其結(jié)果與采用霍爾流動儀檢測到的結(jié)果定性一致，在一定條件下具有可比性。

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陳愛華)

1234567890ABCDEFGHIJKLMNabcdefghijklmn!@#$%^&&*()_+.一三五七九貳肆陸扒拾，。青玉案元夕東風夜放花千樹更吹落星如雨寶馬雕車香滿路鳳簫聲動玉壺光轉(zhuǎn)一夜魚龍舞蛾兒雪柳黃金縷笑語盈盈暗香去眾里尋他千百度暮然回首那人卻在燈火闌珊處閱讀已結(jié)束，如果下載本文需要使用0下載券下載

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