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1、粉体库储存与卸放的流动性力学分析一、问题背景粉体的物理流动性在实际储存与卸放过程中， 在多种因素影响下会呈现大跨度的变化。 当受空气持续冲击激发处于高含气状态时具有类似液体的高流动性和高压力传导性，结果容易导致暴冲失控现象；当长期处于静态沉积时又因粉内气体受压自然向上逸出后又会形成固态的低流动性和高压力阻隔性，结果又容易导致阻塞断料失控现象； 正是因为粉体介质在静动态间具有巨大的传导力学差异波动性，造成了粉体仓底定量给卸料的技术处理非常困难， 直接影响到后续工艺产质量的保证和提升， 深入分析其流动性变化的内在原因与相应的传导力学的变化规律就成为研究的焦点！二、影响粉体的流动性的主要因素与特征通
2、过深入研究粉体的流动性， 我们发现影响粉体流动性的因素具有如下特征：1、含气量越高，流动性越强。进料冲击，架空料垮塌，料层内吹入外加高压空气等均可造成气粉冲击交汇区域局部含气量增加。2、料位越深粉压越高，粉内气体向上自然逸出速率越大。3、细度越高，粉体流动性变化幅度越大。4、任何粉体在空气动态冲击混合下，均会在气粉交汇中心的一定空间区域内激发震颤出饱和含气量和高含气量， 但撤除冲击震颤作用后仅能维持短暂时间 （一般数秒钟）就会退回常规半含气状态，此时间与粉体比重成反比。5、任何粉体在静态沉积条件下，均存在其含气向上方自然逸析向固态转化的趋势，从流态转为固态的速率与粉体比重和料压成正比；达到饱和
3、固态的粉体已不可析气压缩， 每种粉体的自然饱和固态料压力（料位高度）不同。6、当空气湿度大并渗入粉体时，其流动性随水份含量高而降低；反之，空气干燥则增加。7、动态收缩越快，粉料所受收缩压越大，气体挤出效应越快，流动性转变为固性越快， 尤其在仓底出口附近， 大流量卸放必然引发的快速收缩度而容易形成拱圈阻塞。 距库底出口最短垂直路径的中心通道因收缩小，其流动性最高。8、库底边壁存在料重承压固化效应，位置越低料压越高，固化性越大；而且边壁还存在摩擦阻流效应， 一般在库底锥及垂直壁夹角的自然堆积角区易形成饱和固态料。9、粉体下落往往以动态拱垮式自然振颤方式进行，每层料拱将上部料压力统一导向外库壁支撑，
4、 待其下方落空失去支撑平衡而垮落再重新成拱，如此周而复始，流动性越低其拱垮幅度越大，下落振颤周期与幅度越大。三、粉体性的量化标准与定义不难发现，粉体的自然堆积角与其流动性上呈反比， 从库内锥口卸放时体现为导流性的等幅变化， 因此可定义其自然流动角为自然堆积角的余角： =90o- 或 +=90o其中 : - 自然流动角 - 自然堆积角为了量化粉体的流动性，本文建立以粉体自然堆积角为标准的 6 级数学分度定义：1、级别 0-饱和密度固态，含气量已到达下极限含量，称铁实料，自然堆积角最高。一般在料压超过饱和压力（不同粉体的饱和压力不同，往往表现为不同的料位高度） 后经长时静态沉积将料隙中空气向上全部
5、逸出后形成。例如矿粉： 25，65，自重下移时必须从其下落方向前及其边侧撤除全部支撑与阻挡后才可行。2、级别 1-高密度固态，含气量到达较小含量，称硬实料，自然堆积角次高。一般静态高压沉积数十小时后就会逐渐逸出所含气体降为 0 级流动性。例如矿粉： 35，55，自重下移时必须从其下落方向前撤除正面支撑后才可行。3、级别 2-中密度固态，含气量到达中低等含量，称中硬料，自然堆积角中等。一般静态高压沉积数小时后就会逐渐逸出部分气体降为 1 级流动性。例如矿粉： 50，40，自重下移时只须从下落方向侧前方撤除部分阻挡后就可向其饶行。4、级别 3-低密度半流态，含气量处于中高含量，称软料，自然堆积角较
6、低。一般静态高压沉积数十分钟后就会逐步逸出部分气体降为 2 级流动性。例如矿粉： 70， 20，自重下移时只须从下落方向侧前方撤除少量阻挡后就足可向其饶行。5、级别 4-次低密度高流态，含气量到达较高含量，称半液化料，自然堆积角很低。 此料一般由持续小幅震颤维持其状态， 一般撤除震颤影响后仅能维持数分钟就会迅速逸出部分气体降为 3 级流动性。例如矿粉： 80，10，自然下移时可直接拥向其下方任何低压空间。6、级别 5-饱和全流态，含气量到达上极限高含量，称全液化料，自然堆积角几乎为零， 必须持续保持对粉体足够的充气和冲击震颤激发才能产生， 一般撤除冲击激发后仅能维持数秒就会迅速逸出部分气体降为
7、 4 级流动性。例如矿粉： 87，3，自然下移时可直接窜向下方任何低压区域方向。所谓静态指粉料的空间位置无移动的状态； 所谓动态则指粉料的空间位置有移动的状态。实际含气量的变化是连续的， 作以上 6 级分类主要用于分析库内基本的传导力学的作用特性。四、粉料的水平扩张压力传导数学关系粉料中某点（处）的变向扩张压力传导性为：P=p* sin 其中p 为该处的上部料压，一般与该处垂直料位深度成正比。 为粉料的流动系数自然流动角，与含气量（空气或外加其他气体）成正比。显然，流动性大者的变向扩张压力自然上升， 在饱和流态时等同于液态的全扩张特性， 其绕流性极高， 故易形成垂直方向重力增压冲料失控。反之，
8、在饱和固态时接近于固体的零扩张特性， 其饶流性极低，对边壁的拱架支撑率大幅提升， 从而易形成垂直方向重力减压滞料失控。五、粉体的动态平衡关系当粉体下卸运行中， 料的垂直下移速度与料内含气的上逸速度会形成以下 3 种情况：1、料下移速大于其含气上逸速此情况下库料流动性将日益增大，最终达到两者相同的较高流动性，实现了新的动态平衡。结果表明粉料越动越软。2、料下移速小于其含气上逸速此情况下库料流动性将日益减弱，最终达到最低流动性，结果表明粉料越不动越易变硬。3、料下移速等于其含气上逸速此情况下实现了动态平衡，库料流动性将保持不变，结果表明粉料平衡时稳定性最好。根据以上分析，显然在料库容积与流量的动态
9、关系中存在一定的设计边界，流量小者库直径与库高度（库容）不宜过大，否则库底出口处的流动性变低易拱塞； 流量大者则库直径与库高度 （库容）不宜过小，否则库底出口处的流动性变高易扩大其压力波动性。 所以在实际生产中应根据工艺的最佳流量设计选择合理的料库的尺寸容量， 而不应错位选配。六、粉库满仓静态沉积随时间的流动性分布与变化基于上述粉体流动性形成与演变的规律， 不难发现粉料新入满库后的静态流动性会随沉积时间的推移而产生变化， 直至稳定在一定库位的稳定平衡情况下。其中，因不同深度与位置的含气逐步向上逸出而发生分层沉积固态化增加，直至最后达成稳定不变的平衡分布，称为饱和沉积。库内料重力分布依库底流动性
10、不同而不同， 长期静态沉积后形成硬性喇叭型分层固态过渡，总应力为“ V”型杯托支撑分布，总料重大部分由库低环锥壁垂直支撑， 而库底壁水平外张力不高， 出口压力很低（一般仅在 10kpa 以下）。满仓饱和沉积后的卸放，因库底已形成流动性最低的饱和固态，极易产生拱架阻塞，出料量越大越易拱塞断料。中仓饱和沉积后的静态卸放， 因库底已形成流动性较低的高密度固态，也易产生拱塞瓶颈限流或断料。低仓饱和沉积后的静态卸放， 因库底压力不大， 其流动性尚达不到极低的饱和固态，卸放过程要平顺些。七、粉库自然动态卸放时的流动性分布与力学传导特征当粉体库底卸出运行同时库顶进料时， 我们称为动态运行。 普通大库的典型动
11、态运行时的流动性分布如下图 ：动态运行中形成漏斗流则总应力为“V”型分布，总料重大部分由库垂直边侧环壁支撑，中心的细长部分“ U”型瓶颈中料重力形成动态拱壁架支撑， 只有出口上方少量料重由出口支撑， 库底出口压力较低。很明显，在中高料位情况下，由于饱和固态料不会移动，高固态料的下移缓慢， 两者在底自然会形成了硬性喇叭漏斗， 真正流动的半流态料实际形成了漏斗流， 其细长的瓶颈会产生自然限流性， 在喇叭收口处，卸出料流量越大，收缩性拱架力越强，瓶颈直径将越缩细，从而限流性越强， 直致全阻塞断流。 受动态拱的衰减作用，出口料压很低，一般在 10kpa 左右。而在中低料位情况下，整体分布下移，同时进料
12、冲击动能加大，喇叭漏斗变软，瓶颈变粗短，出口流量及流动性波动整体变大。如此变化巨大的物理流动性与现代生产的稳定大流量需求完全矛盾和冲突。八、粉库动态卸放时的流动性分布与力学传导特征当粉体库底卸出运行同时库顶进料时， 称为动态运行。 按进料量与卸出量间的大小关系会形成以下 3 种情况：1、进量大于出量此情况下库中料位逐步增大，进出之差越大， 变化越快，最终会达到满仓，必须停止进料。 此过程中库底出口处粉料流动性必然随料位增加而下降。2、进量小于出量此情况下库中料位逐步降低，进出之差越大， 变化越快，最终会放空全仓，出量减为进量，整个库腔演变成通道。 特别是随料位降低，进料落差增加，进料的冲击动能逐步加大， 在较低库位（一般 3-6 米）时必然使库底存料全激发震颤穿透为最高流动性的饱和流态， 使库底出口处粉料压力必然上升到最高，进而促使出料流量猛增而失控冲出。例如矿粉，此情况下仓口压力高达料位高度的水柱压力3 米30kpa，5 米 50kpa。
