无论是在自然界还是在人类的生产生活中,固相颗粒都是极易见到的一类物质。单独一个颗粒的运动行为可用牛顿运动定律精确描述出其在某时间下的运动状态,而当一群颗粒聚集在一起共同运动时,对其行为的描述就变得错综复杂。颗粒系统的复杂行为模式将导致一系列常见问题,例如颗粒阻塞、颗粒偏析、颗粒粘结以及颗粒磨损等。颗粒偏析即是其中最为需要解决的难题之一,在许多工业生产中,颗粒的偏析将导致生产无法顺利进行或者最终产品的不合格。在冶金行业中,颗粒的偏析将造成高炉内部炉料的分布不均,从而导致煤气流分布失衡以致炉况不能顺行。本课题的研究旨在对寻求合适的表征颗粒偏析的方法,并在此基础上探究颗粒偏析的内在规律。课题通过对稳态堆积条件下多元固相颗粒偏析特征及非稳态流动条件下多元固相颗粒偏析特征两个方面的研究,得到如下主要结论:(1)对单一粒径颗粒,从同一竖直高度下落,小粒径颗粒流动快速且连续,料流轮廓较稳定;大粒径颗粒流动缓慢且间断,易在料罐出口处形成拱形结构而阻塞,料流轮廓不规则,易向周围分散。3mm、6mm及9mm颗粒的排料时间均值分别为1275ms、1843ms及3155ms。排料时间随着粒径的增大呈现非线性递增的规律,更为精确的定量关系需进一步探究。颗粒堆积完成后,3mm颗粒形成的料堆堆尖高(3.85cm),料面陡而规则,波动幅度处于0.25cm范围,与料罐底端形成的堆角较大(约42°);9mm颗粒形成的料堆堆尖较低(2.70cm),料面相对平缓且不规则,波动幅度达到0.5cm以上,与料罐底端形成的堆角较小(约25°)。(2)对二元粒径颗粒,其堆积形貌的分布介于两种单一颗粒之间,且随着小颗粒质量分数的增加,堆尖高度逐渐增高,堆积形态也随之改变。二元颗粒混合均匀时,随着小颗粒质量分数的增加,排料时间呈现非线性递减的规律,小颗粒可以改善颗粒系统的流动条件,减小大颗粒在料罐出口处形成拱形结构的概率。二元颗粒分层排布时,颗粒排料时间变化曲线上存在一特殊的分界点,在此点附近,小颗粒在上层或者下层的排料时间基本一致。(3)二元颗粒稳态堆积条件下,颗粒偏析在料堆两侧基本呈现对称分布,而在料堆底端部分、中间部分及顶端部分的偏析分布则具有不同的特征。(1)粒径组合不变,随着小颗粒初始质量分数的增大,正偏析(小颗粒聚集产生)逐渐增多,且由料堆底部向料堆中上部扩展,而负偏析(大颗粒聚集产生)逐渐减少,且由料面层向料罐壁处缩减。3mm与7mm颗粒组合下,当3mm颗粒质量分数从0.3增至0.7时,正偏析程度从16.0%增大至38.5%,而负偏析程度从38.3%减小至10.4%,颗粒总体均匀程度则略微上升。(2)颗粒初始质量比不变,随着粒径差的增大,颗粒正负偏析程度均增大,即颗粒偏析程度逐渐增大。3mm与5mm颗粒组合、3mm与6mm颗粒组合及3mm与7mm颗粒组合下,颗粒总体均匀程度依次为64.9%、55.8%及41.5%。(4)二元颗粒非稳态流动条件下,随着排料的进行,料罐内的偏析程度逐渐增大,且料罐中心多发生负偏析,料罐壁处多发生正偏析。(1)粒径组合不变,不同颗粒初始质量比对料罐中心区域排料中后期的颗粒负偏析程度有着重要影响,对料罐边缘区域的二级正偏析(见表3.5)也有一定影响。随着大颗粒初始质量分数的增大,一方面会使得排料中后期料罐中心区域的二级负偏析程度急剧加重,另一方面会对中心区域的一级负偏析的变化特征造成不同的影响。3mm与6mm颗粒组合下,6mm初始质量分数由0.3增加至0.7时,中心区域二级负偏析程度由5%跃升至40%,增加了8倍之多;而边缘区域二级正偏析程度由30%降至10%。(2)颗粒初始质量比不变,不同粒径组合对料罐中心区域及边缘区域排料前中期颗粒的混合均匀程度均有一定影响,粒径差越大,颗粒混合均匀程度越低。而在排料中后期,粒径差的增大将会增大料罐中心区域及边缘区域的二级负偏析程度。在排料前期,料罐中心区域3种粒径组合的混合均匀程度分别为60%(3mm与5mm颗粒组合),50%(3mm与6mm颗粒组合),以及40%(3mm与7mm颗粒组合)。