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07
2023
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石灰石骨料在立式混合機(jī)和/或輸送式混合中的試驗和離散元模型研究 (2)
關(guān)鍵詞:
來源：公司內(nèi)部
3. 結(jié)果與討論
3.1. 實驗#1
圖 1 顯示了 DEM 研究的四個粒子的粒子路徑。這些粒子是隨機(jī)挑選的，每個都取自圓形截面的四個象限之一。此外，在立式靜態(tài)混合機(jī)中，使用 Poincare 圖呈現(xiàn)顆粒路徑。在圖 4 中，顯示了粒子在立式靜態(tài)混合機(jī)中六個不同Poincare 段的高度位置：0·H、0.5·H、1·H、1.5·H、2·H和3·H。顏色參數(shù)是一個邏輯表達(dá)式，用于標(biāo)記位置 x < 0（黃色）和 x > 0（藍(lán)色）處的粒子的初始顏色。當(dāng)粒子跟隨粒子流流動時，混合開始。在混合機(jī)的末端，顆粒還沒有完全混合--只有黃色和藍(lán)色顆粒的關(guān)鍵區(qū)域需要更好地混合。
圖 4. (a) 三元件立式靜態(tài)混合機(jī)方案 (b) 三元件立式靜態(tài)混合中不同Poincare截面的粒子軌跡(H——混合元件高度)
在所有三組試驗和數(shù)值研究中，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值均下降?；旌腺|(zhì)量隨著立式靜態(tài)混合機(jī)中混合元件數(shù)量的增加而提高。實驗結(jié)果與 DEM 模型結(jié)果（以 RSD 值表示）之間的對比如圖 5（實驗 #1）所示。
圖 5. 實驗 #1 的 RSD 估計
DEM 方法用于研究粒子在整個混合過程中的運(yùn)動，涉及三個笛卡爾維度中的粒子力學(xué)（跟蹤、定位和運(yùn)動）。特定顆粒的位置在混合過程中會發(fā)生根本變化，力學(xué)參數(shù)（位置、速度和加速度）也會隨之發(fā)生變化，有利于提高混合質(zhì)量。
通過立式靜態(tài)混合機(jī)的一個部件后，石灰石骨料混合物顆粒的均勻性結(jié)果顯示 RSD 值分別為 90.68、94.50、95.78、91.23、91.65 和 90.28%，二元混合物的 RSD 值分別為 90.68、94.50、95.78、91.23、91.65 和 90.28%。二元混合物的 RSD 值分別為：（1 ÷ 2 mm）-（2 ÷ 3 mm）、（1 ÷ 2 mm）-（3 ÷ 4 mm）、（1 ÷ 2 mm）-（4 ÷ 5 mm）、（2 ÷ 3 mm）-（3 ÷ 4 mm）、（2 ÷ 3 mm）-（4 ÷ mm）和（3 ÷ 4 mm）-（4 ÷ 5 mm），均為 28%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了10%的推薦值。
石灰石骨料混合物通過裝有 1、3 或 5 個元件的立式靜態(tài)混合機(jī)時的均勻性表明，RSD 值呈下降趨勢，說明混合效果較好，但沒有達(dá)到 RSD < 10%。此外，圖 5 顯示了 RSD 值與通過立式靜態(tài)混合機(jī)次數(shù)的關(guān)系。通過增加混合元件數(shù)量可以降低 RSD，但不能降到 10% 以下。此外，增加混合部件數(shù)量，購買立式靜態(tài)混合機(jī)的成本增加。圖 5 還表明數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果一致，交叉引用了獲得的 RSD 值（r2 為 0.968）。
3.2. 實驗#2
實驗#2 中調(diào)查了減少輸送式混合機(jī)相對統(tǒng)計偏差的可能性。整個輸送式混合機(jī)的混合持續(xù)時間設(shè)置為：4、12 或 20 分鐘，均勻性測試的結(jié)果由 RSD 標(biāo)準(zhǔn)評估得出，如圖 6 所示。
圖 6. 實驗 #2 中的 RSD 結(jié)果
在輸送式混合機(jī)中混合后，石灰石骨料混合物（未預(yù)先使用立式靜態(tài)混合機(jī)進(jìn)行預(yù)混合）的均勻性結(jié)果估計表明，20 分鐘后，實驗的 RSD 介于 45.10 至 54.76% 之間，而 DEM 模擬用式靜態(tài)混合機(jī)在介于 45.25 至 55.60% 之間，尚未達(dá)到最好的混合水平。在圖6中，表明試驗研究的結(jié)果與使用DEM計算的結(jié)果的相似性，而實驗結(jié)果與DEM結(jié)果之間的r2值為0.983。
3.3. 整個輸送混合器的顆粒流場
在實驗 #2 中，使用 DEM 計算研究了進(jìn)料高度對輸送式混合器流場的影響。顆粒進(jìn)料的高度設(shè)置為400、450和500mm。在混合過程中，材料使用中央螺旋輸送機(jī)從錐形部分的底部取出，并連續(xù)轉(zhuǎn)移到混合機(jī)的頂部，在重力作用下落下（圖3b）。圖 7 解釋了不同高度進(jìn)料的速度場分配。圖 7 監(jiān)測了三種進(jìn)料高度（400、450 和 500 mm）下的下行流和順時針方向的速度大小偏差。位于較高位置的顆粒的速度大小和速度矢量都有所降低。隨著進(jìn)料高度的增加，可以觀察到整個料斗中顆粒的向下速度大幅增長。
圖 7 輸送式混合機(jī)料斗內(nèi)不同高度的顆粒流分布，進(jìn)料高度為：(a) 400 mm；(b) 450 mm和 (c) 500 mm。
3.4. 實驗#3
在實驗#3中，石灰石骨料混合物使用配備有五個元件的立式靜態(tài)混合機(jī)（在實驗#1中）預(yù)先混合，然后在輸送式混合器中混合。為了改善結(jié)果，我們嘗試將攪拌時間縮短至實驗 2 的 3/4。在實驗 #3 中，混合時間設(shè)定為 3、9 或 15 分鐘。
圖 8 顯示了該實驗結(jié)果，顯示混合時間減少，混合效果也有所改善（實驗調(diào)查的 RSD 值在 15 分鐘后達(dá)到 3.34 到 13.79 之間的水平，而 DEM 研究的 RSD 值在 15 分鐘后達(dá)到 3.50-13.95% 的水平）。因此，實驗 #3 中的所有三個混合周期都縮短為實驗 #2 中獲得的周期的 3/4，RSD 值也有所降低。然而，所有混合物在 15 分鐘后都沒有達(dá)到所需的高均勻度，對于 1 ÷ 3 毫米的石灰石骨料混合物，攪拌時間應(yīng)延長至 20 分鐘，對于 1 ÷ 4 毫米或 2 ÷ 4 毫米的石灰石骨料混合物，攪拌時間甚至應(yīng)延長至 25-30 分鐘。因此，如果在主混合器之前應(yīng)用立式靜態(tài)混合機(jī)，則生產(chǎn)線中的最終混合機(jī)的工作量減少。
圖 8. 實驗 #3 中得出的 RSD 結(jié)果
圖 8 顯示了實驗混合持續(xù)時間的 RSD 值和 DEM 模擬結(jié)果。很明顯，隨著混合時間的增加，RSD 值減小。實驗研究和 DEM 研究結(jié)果在混合質(zhì)量計算方面很相似，前幾組實驗的情況也是如此（r2 為 0.995）。
4. 結(jié)論
本文通過實驗研究和離散元素法（DEM），對用于自密實混凝土混合物的石灰石細(xì)骨料在立式靜態(tài)混合機(jī)、輸送式混合機(jī)以及這些混合機(jī)的耦合作用下的混合過程進(jìn)行了研究。本項研究目的為研究建造一種經(jīng)濟(jì)實惠、易于制造、操作簡單，可以安裝在混合生產(chǎn)線上的設(shè)備，提高混合的最終質(zhì)量并縮短混合時間。我們采用 DEM 方法，通過實驗和數(shù)值研究對這一任務(wù)進(jìn)行了調(diào)查。
共進(jìn)行了三次實驗。在實驗1中，使用具有一個、三個或五個元件的立式靜態(tài)混合機(jī)進(jìn)行混合。根據(jù) RSD 標(biāo)準(zhǔn)，五個元件的混合效果最好。盡管如此，其RSD 值大于 10%，說明混合行為并不合適。在實驗 2 中，研究了傳送式攪拌機(jī)中的混合過程，并根據(jù)攪拌持續(xù)時間對過程結(jié)果進(jìn)行了估算。試驗研究和 DEM 模擬的 RSD 值分別在 45.10% 和 54.76% 之間，DEM 模型的 RSD 值在 45.25% 和 55.60% 之間。
在最后的實驗中，石灰石骨料混合物預(yù)先在配有五個元件的立式靜態(tài)混合機(jī)中混合，主要的混合過程在輸送式混合機(jī)中進(jìn)行，實驗#3的混合時間縮短至之前試驗的3/4。實驗 #3 的結(jié)果表明，對于具有相似粒徑的混合物，僅混合 15 分鐘后就達(dá)到了 RSD 高點。然而，粒徑差異較大的混合物（例如 1 ÷ 4、2 ÷ 4 或 1 ÷ 3 mm 混合物）在 15 分鐘后仍未充分混合（RSD 不低于 10%），即使在立式靜態(tài)混合機(jī)中進(jìn)行了預(yù)混合也是如此。不過，可以通過延長混合過程的時間，進(jìn)一步降低RSD 值。
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Pezo, L. L., Pezo, M., Terzi?, A., Jovanovi?, A. P., Lon?ar, B., Govedarica, D., & Koji?, P. (2021). Experimental and Discrete Element Model Investigation of Limestone Aggregate Blending Process in Vertical Static and/or Conveyor Mixer for Application in the Concrete Mixture. Processes, 9(11), 1991. https://doi.org/10.3390/pr9111991
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