陶瓷新型节能干法造粒机理及其装备关键技术研究

Dry granulation milling technology can fundamentally solve the problem of the original wet milling of the ceramic industry with high energy consumption , high pollution . Particles generated by the granulation equipment but because of the backwardness of the theoretical research lag and the design and development concepts , making the existence of the surface of irregular shape , granular solid , particle hardness is too large defect, the forming process is easily layered , low green body strength , adobe surface roughness phenomenon . This project through the use of the new and modern theory and technology and experimental method , the key theory and technology of ceramic dry granulation mechanism and its equipment,including: analysis ang research of dry granulating machine's variable mass rigid dynamics; CAE dynamics modeling and model modification; the establishment of rigid-flexible hybrid model of granulation equipment , its kinematics and dynamics research; by means of experimental and numerical simulation on the basis of the theory in the powder , revealing the formation mechanism of the ceramic powder,matching law and incidence relation of granulation machine dynamic characteristic and configuration and movement parameters;hybrid friction lubrication mechanism suitable for dry granulation milling to improve the strength of powder particles and the powder fluidity .The results of research projects for the ceramics industry, energy saving , ecological environment and industry coordinated development of great significance , but also has a very good prospect of engineering application .

干法造粒技术可从根本上解决陶瓷行业原有湿法制粉方面高能耗、高污染的问题。但由于理论研究的滞后和设计开发理念的落后，使得造粒装备产生的颗粒存在表面形状不规则、颗粒实心、颗粒硬度太大等缺陷，导致了成形过程容易分层、坯体强度偏低、坯体表面粗糙等现象。本项目通过采用现代新技术新理论和实验方法，研究陶瓷用干法造粒机理及其装备的关键理论与技术，包括：干法造粒机变质量刚体动力学分析与研究；CAE动力学建模与模型修整；建立造粒设备的整体刚柔混合模型并进行运动学动力学研究；通过实验和数值模拟等手段，在粉体理论的基础上，揭示陶瓷粉料的成型机理、造粒机动态特性与结构运动参数之间的匹配规律以及关联关系；研究适合干法造粒制粉的混合摩擦润滑机理，改善粉料颗粒强度和粉料流动性等。项目研究成果对于陶瓷行业节能降耗、生态环境与产业协调发展等方面具有十分重要的意义，同时具有非常好的工程应用前景。

由于陶瓷干法造粒技术制备的颗粒存在颗粒级配分布单一、颗粒压缩率小、颗粒组分分布不均等问题，导致坯体压制成形过程容易分层、强度偏低、表面粗糙等现象。项目提出滚雪式陶瓷干法造粒方法，并自主设计制造了具有自主知识产权的滚雪式陶瓷干法造粒装备；基于气固两相流、多相流流动、离散相动力学方法，采用欧拉-欧拉方法构建了滚雪球式陶瓷干法造粒混料过程气固两相流数学模型，采用欧拉-拉格朗日方法构建了滚雪式陶瓷干法造粒雾化过程离散相数学模型，从滚雪球式陶瓷干法造粒关键结构优化、陶瓷干法造粒混料机理、陶瓷干法造粒雾化机理三方面进行了研究，具体研究结论有：⑴基于陶瓷干法造粒关键结构优化研究可知：陶瓷干法造粒结构采用粉碎铰刀、造粒立柱上下组合式，且粉碎铰刀数目为18、造粒立柱数目为9时效果较佳；造粒室倾斜角为30º、造粒主轴偏心率为0.4、造粒结构距造粒室最小距离为10mm、挡板为标准矩形挡板时，造粒效果较好。⑵基于陶瓷干法造粒混料机理研究可知：陶瓷粉体在混料过程中，采用欧拉-欧拉方法建立了混料过程空气相-粉体相的数学模型，构建简化混料过程的三维物理模型，修正了湍流模型及Mixture模型对混料过程空气相-粉体相两相流进行数值模拟，并实验验证数学模拟的正确性，发现陶瓷粉体的混合过程主要通过打漩的方式进行混合，确保了混合的均匀性。⑶基于陶瓷干法造粒雾化机理研究可知：陶瓷干法造粒雾化过程中，造粒室内含有空气、粉体，同时含有雾化液滴，雾化液滴体积分数远远小于10%，且雾化液滴的粒径为亚毫米级，故采用欧拉-拉格朗日方法建立了雾化过程离散相数学模型；结合气固两相流、多相流流动、离散相动力学、陶瓷工程、摩擦学等多学科交叉理论分析了雾化过程粉体相-雾化液滴相旋转流场的流动特性，发现压力式喷嘴雾化流场分布较大、雾化液滴粒径分布较广，最适合坯料颗粒成形。项目研究成果对陶瓷干法造粒技术在行业推广提供了可靠的理论指导及系统的实验数据，为陶瓷原料制备技术绿色转型发展指明了方向。