教您了解粉體的填充與堆積特性 承德人和礦業(yè)

顆粒空隙空間的幾何形狀，在不同程度上影響它的全部填充特性，而空隙又取決于填充類型、顆粒形狀和粒度分布。確定這些填充特性的確有很大的實(shí)際意義。通常，填充程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)有堆積密度（松裝密度和振實(shí)密度）、填充率、孔隙率等，這些參數(shù)之間存在內(nèi)在聯(lián)系。

一、填充程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

1、堆積密度

堆積密度是指在一定填充狀態(tài)下，單位填充體積的粉體質(zhì)量，即為表觀密度（kg/m3）。

松裝密度是指粉體在堆積過程中，只受重力作用(無任何外力作用）下顆粒形成的自然堆積，此時(shí)填充體的表觀密度稱為松裝密度。

振實(shí)密度是粉體在堆積過程中受到外力（如振動(dòng)力、壓力)而發(fā)生強(qiáng)制性的顆粒重排，排出了填充體中的空氣，此時(shí)填充體的表觀密度稱為振實(shí)密度。

顯然，振實(shí)密度大于松裝密度，兩個(gè)密度差異的大小與外加作用力有關(guān)。

2、填充率與孔隙率

填充率是指在一定填充狀態(tài)下，顆粒體積占粉體表觀體積的比例。而孔隙率是指某粉體填充體系中，空隙所占體積與粉體表觀體積的比值。

二、球形粉體顆粒的填充與堆積

1、等徑球形顆粒的規(guī)則填充

若以等徑球在平面上的排列作為基本層，則有圖1所示的正方形排列層和單斜方形排列層或六方系排列層。如取圖中涂黑的4個(gè)球作為基本層的最小單位，并將各個(gè)基本排列層匯總起來，則可得到如圖2所示的6種排列形式。

表1匯總了它們的空間特征的計(jì)算結(jié)果。若將排列2回轉(zhuǎn)90°，則成為排列4，排列3回轉(zhuǎn)125°16'則成為排列6，其空間特性相同。排列1和4是最疏填充，排列3和6是最密填充。

表1等徑球規(guī)則堆積的結(jié)構(gòu)特性

2、等徑球形顆粒的隨機(jī)填充

等徑球形顆粒在實(shí)際堆積時(shí)，由于顆粒的碰撞、回彈、顆粒間相互作用力以及容器壁的影響，因而不能達(dá)到前述的規(guī)則堆積結(jié)構(gòu)。而等徑球形顆粒的隨機(jī)填充分成以下四種類型。

（1）隨機(jī)密填充。把球倒入一個(gè)容器中，當(dāng)容器振動(dòng)或強(qiáng)烈搖晃時(shí)可得這類填充型，平均空隙率為0.359~0.375。

（2）隨機(jī)傾倒填充。相當(dāng)于工業(yè)上常見的卸出粉料和散袋物料的操作，平均空隙率為0.375~0.391。

（3）隨機(jī)疏填充。把一堆松散的球放入一個(gè)容器內(nèi)，或者用手一個(gè)個(gè)隨機(jī)填充進(jìn)去，平均空隙率為0.4~0.41。

（4）隨機(jī)極疏填充。最低流態(tài)化時(shí)流化床具有的平均空隙率為0.46~0.47。

3、不同粒徑球形顆粒的填充與堆積

在規(guī)則填充的基礎(chǔ)上。等尺寸球之間的空隙理論上能夠由更小的球填充，得到更高密度的集合體。

在六方最密堆積中，所有剩余空隙最終被相當(dāng)小的等尺寸球所填滿時(shí)，這種最小空隙率為0.039作為排列征的排列被稱為Horsfield最緊密堆積。

表2Horsfield最緊密堆積性質(zhì)

當(dāng)一種以上的等尺寸球被填充到最緊密的六方排列的空隙中時(shí)，空隙率是隨著較小球與最初大球的尺寸比值而變化的，空隙率隨著較小球數(shù)目的增加而減少，但實(shí)際并不總是這樣，因?yàn)樵谌切慰障吨星虻臄?shù)目不是連續(xù)的。當(dāng)三角形空隙中球的尺寸比為0.1716時(shí)，最小空隙率為0.1130，這樣的排列稱為Hudson堆積。

三、實(shí)際粉體顆粒的堆積特征及影響因素

粉體加工過程中，形成的顆粒一般不是球形，而是有棱有角，且顆粒大小不一致，不能形成規(guī)則堆積或者是完全隨機(jī)堆積。因此，了解實(shí)際顆粒的堆積特征是很有意義的。通常影響粉體顆粒堆積的因素有以下幾點(diǎn)：

1、壁效應(yīng)

當(dāng)顆粒填充容器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種所謂的壁效應(yīng)，因?yàn)樵诮咏腆w表面的地方會(huì)使隨機(jī)填充中存在局部有序，這樣，緊挨著固體表面的顆粒常常會(huì)形成一層表面形狀相同的料層。這種所謂的基本層是正方形和三角形單元聚合的混合體。隨機(jī)性隨著與基本層距離的增加而增加，還隨著特殊層的最終消失而增加。

壁效應(yīng)的另一重要方面是緊挨著壁的位置存在相對(duì)高的空隙率區(qū)域，這是由于壁和顆粒的曲率半徑之間的差異而引起的。圖3是由滾珠填充而成的二維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，器壁的第一層是特殊排列的，傾斜壁第二層也就要受壁效應(yīng)的影響。

2、顆粒形狀

粉體的總堆積程度有以下規(guī)律:當(dāng)僅有重力作用時(shí)，容器中實(shí)際顆粒的松裝密度會(huì)隨容器直徑的減小及顆粒層的高度增加而減小;實(shí)際顆粒形成的填充體，其孔隙率與顆粒的球形度緊密相關(guān)，顆粒球形度降低，則其孔隙率增加，如圖4所示。松散堆積時(shí)，有棱角的顆粒形成的填充體的孔隙率較大，若顆粒形狀越接近于球形，則其孔隙率減小。

另外，顆粒的表面粗糙度對(duì)填充體的孔隙率影響也較大，一般顆粒的表面粗糙度越大，則其填充體的孔隙率也越大。

3、粒度大小

如圖5所示，對(duì)顆粒群而言，粒度越小，由于粒間的團(tuán)聚作用，空隙率越大，這與理想狀態(tài)下，顆粒尺寸與空隙率無關(guān)的說法有矛盾。當(dāng)粒度超過某一定值時(shí)，粒度大小對(duì)顆粒堆積率的影響已不復(fù)存在，此值為臨界值。這是因?yàn)榱ｉg接觸處的凝聚力與粒徑大小關(guān)系不大；反之，與粒子質(zhì)量有關(guān)的力卻隨粒徑三次方的比例急劇增加。

因此，隨粒徑增大，與粒子自重力相比，凝聚力的作用可以忽略不計(jì)，粒徑變化對(duì)堆積率的影響大大減小，因此，通常在細(xì)粒體系中，粒徑大于或小于臨界粒徑的物料，對(duì)顆粒的行為都有具足輕重的作用。

當(dāng)顆粒較粗時(shí)，增加填充速率會(huì)導(dǎo)致粉體的松裝密度減小，但是對(duì)于如面粉這樣有黏聚力的細(xì)粉末，減小供料速度可增大松裝密度。

4、粉體的含水率

實(shí)際顆粒與理想顆粒的表面性質(zhì)不同，實(shí)際顆粒(特別是小顆粒有一定的吸濕性，也會(huì)帶有表面電荷。因此，對(duì)于實(shí)際顆粒來說，顆粒越小，堆積過程中顆粒間的黏聚作用越強(qiáng)，其孔隙率會(huì)變大，此現(xiàn)象與理想狀態(tài)下顆粒尺寸和孔隙率無關(guān)的說法矛盾，所以潮濕粉體的表觀體積會(huì)隨含水量的增加而變大。

除此之外，潮濕物料由于顆粒表面吸附水，顆粒間形成液橋毛細(xì)力，而導(dǎo)致粒間附著力的增大，形成團(tuán)粒。由于團(tuán)粒尺寸較一次粒子大，同時(shí)，團(tuán)粒內(nèi)部保持松散的結(jié)構(gòu)，致使整個(gè)物料堆積率下降。

圖6是窄粒級(jí)砂子含水率和料層容積密度的變化關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)含水量較低時(shí)，即在a線部分，隨含水量增多，物料容積密度略有降低，但影響不大。隨水分繼續(xù)增大，容積密度迅速降低，當(dāng)水分達(dá)到8%時(shí)降到了最低點(diǎn)，隨后略有回升。當(dāng)水分繼續(xù)增大，達(dá)到顆粒在水中沉降時(shí)，容積密度會(huì)超過干物料的容積密度。