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際意義。通常，填充程度的評價指標有堆積密度（松裝密度和振實密度）、填充率、孔隙率等，這些參數(shù)之間存在內(nèi)在聯(lián)系。

一、填充程度評價指標

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，此時填充體的表觀密度稱為松裝密度。

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

顯然，振實密度大于松裝密度，兩個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個球作為基本層的最小單位，并將各個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填充

等徑球形顆粒在實際堆積時，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，因而不能達到前述的規(guī)則堆積結(jié)構(gòu)。而等徑球形顆粒的隨機填充分成以下四種類型。

（1）隨機密填充。把球倒入一個容器中，當(dāng)容器振動或強烈搖晃時可得這類填充型，平均空隙率為0.359~0.375。

（2）隨機傾倒填充。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）隨機疏填充。把一堆松散的球放入一個容器內(nèi)，或者用手一個個隨機填充進去，平均空隙率為0.4~0.41。

（4）隨機極疏填充。最低流態(tài)化時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，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，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，但實際并不總是這樣，因為在三角形空隙中球的數(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，最小空隙率為0.1130，這樣的排列稱為Hudson堆積。

三、實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堆積。因此，了解實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：

1、壁效應(yīng)

當(dāng)顆粒填充容器時，會出現(xiàn)一種所謂的壁效應(yīng)，因為在接近固體表面的地方會使隨機填充中存在局部有序，這樣，緊挨著固體表面的顆粒常常會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驗?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，容器中實際顆粒的松裝密度會隨容器直徑的減小及顆粒層的高度增加而減小;實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，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，對顆粒群而言，粒度越小，由于粒間的團聚作用，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，粒度大小對顆粒堆積率的影響已不復(fù)存在，此值為臨界值。這是因為粒間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，粒徑變化對堆積率的影響大大減小，因此，通常在細粒體系中，粒徑大于或小于臨界粒徑的物料，對顆粒的行為都有具足輕重的作用。

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

4、粉體的含水率

實際顆粒與理想顆粒的表面性質(zhì)不同，實際顆粒(特別是小顆粒有一定的吸濕性，也會帶有表面電荷。因此，對于實際顆粒來說，顆粒越小，堆積過程中顆粒間的黏聚作用越強，其孔隙率會變大，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力，而導(dǎo)致粒間附著力的增大，形成團粒。由于團粒尺寸較一次粒子大，同時，團粒內(nèi)部保持松散的結(jié)構(gòu)，致使整個物料堆積率下降。

圖6是窄粒級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，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)水分達到8%時降到了最低點，隨后略有回升。當(dāng)水分繼續(xù)增大，達到顆粒在水中沉降時，容積密度會超過干物料的容積密度。