第9章 粉体的流动性

第9章微粉学

第5节粉体的流动性第九章微粉学第五节粉体的流动性回顾粉体粉体

固体粒子的集合体固体粒子

与大块固体相比较，相对微小的固体称之为颗粒。根据其尺度的大小，常区分为颗粒、微米颗粒、亚微米颗粒、超微颗粒、纳米颗粒等等。通常粉体工程学研究的对象，是尺度界于10-9m到10-3m范围的颗粒。集合体

从颗粒存在形式上来区分，颗粒有单颗粒（单一粒子又被称为一级粒子）和由单颗粒聚集而成的团聚颗粒（聚结粒子又被称为二级粒子），因而粉体可以是由单一粒子构成，也可以是由聚结粒子构成，还可以是二者的混合体

粉体的物态特征具有与液体相类似的流动性具有与气体相类似的压缩性

具有固体的抗变形能力粉体的物态特征具有与液体相类似的流动性具有与气体相类似的压缩性具有固体的抗变形能力粉体的物态特征具有与液体相类似的流动性具有与气体相类似的压缩性具有固体的抗变形能力粉体的流动性原因浅析粉体之所以流动，其本质是粉体中粒子受力的不平衡，对粒子受力分析可知，粒子的作用力有重力、颗粒间的黏附力、摩擦力、静电力等，对粉体流动影响最大的是重力和颗粒间的黏附力重力流动种类瓶或加料斗的流出现象或操作流出速度壁面摩擦角休止角流出界限孔径流动性的评价方法其他流动性的分类与评价方法粉体流动性的种类以及评价方法种类现象或操作流动性的评价方法重力流动瓶或加料斗中的流出旋转容器型混合器，充填流出速度、壁面摩擦角休止角、流出界限孔径振动流动振动加料，振动筛充填，流出休止角、流出速度、压缩度、表观密度压缩流动压缩成形（压片）压缩度、壁面摩擦角、内部摩擦角液态化流动流化层干燥，流化层造粒颗粒或片剂的空气输送休止角、最小流化速度休止角定义休止角与流动性的关系

定义在粉体堆上，粉末下滑的表面与水平面之间的最大可能角度粉体流动性的评价方法—休止角定义在粉体堆上，粉末下滑的表面与水平面之间的最大可能角度，常用ψ表示表达式在下滑面上粒子间产生的内摩擦力与粒子所受到的重力相平衡，使休止角为定值，ψ角的正切就等于粒子间的摩擦系数

utanψ=u=h/r休止角与粉体流动性的关系一般来讲，当休止角≤30º时，流动性良好，当休止角在3045º时，流动性较好，当休止角45º60时，流动性较差，当休止角在6090时，流动性差，局限性用休止角评价粉体的流动性能，只能大致定性地表示流动性的好坏，或者用于比较同种粉体因粒度和水分等引起的流动性差别。休止角的测定方法注入法挤出法容器倾斜法

粉体流动性的测定方法粉体流动性的测定方法常见的有注入法、排出法、容器倾斜法等等常用的方法是固定圆锥法（亦称残留圆锥法）。固定圆锥法将粉体注入到某一有限直径的圆盘中心上，直到粉体堆积层斜边的物料沿圆盘边缘自动流出为止，停止注入，测定休止角α。hrtgα=h/r粉体流动性的影响因素04加入润滑剂（滑石粉、硬脂酸镁等）细粉，可降低粒子间的内聚力，改善表面粗糙度，从而改善粒子的流动性一般加粉体量的1%润滑剂细粉02粒子形状

03在吸湿曲线上，引起粉体大量吸湿的相对湿度（CRH）,CRH越小，粉末越容易吸湿，休止角就越大，粉体流动性就越小吸湿性

01粒度影响粉体流动性的因素01020304影响粉体流动性的因素粒度

一般来讲，粒径下降，粒子间内聚力上升，摩擦阻力加大。粒径＞200um,粉体流动性好，粒径＜100um,粒子内聚力超过所受重力，粒子易聚集，流动性差。粒子形状

粒子形状越不规则，偏离球形越远，表面越粗糙，休止角就越大，流动性越小。吸湿性

在吸湿曲线上，引起粉体大量吸湿的相对湿度（CRH）,CRH越小，粉末越容易吸湿，休止角就越大，粉体流动性就越小润滑剂细粉

加入润滑剂（滑石粉、硬脂酸镁等）细粉，可降低粒子间的内聚力，改善表面粗糙度，从而改善粒子的流动性一般加粉体量的1%AMETAMETCB粉体流动性差时，可以加入100um的玻璃球助流流出速度越大，粉体流动性越好是将物料加入容器中，测出全部物料流出所需的时间AMETA流出速度（flowvelocity)粉体流动性的应用粉体的流动性在粉体工程设计中应用范围很广，粉体的流动性对其生产、输送、储存、装填以及工业中的粉末冶金、医药中不同组分的混合、农林业中杀虫剂的喷撒等工艺过程都具有重要的意义。在水泥厂中，许多操作过程都会涉及到粉体的重力流动。研究粉体的流动性能，对于粉体设备的设计，都具有十分重要的意义粉体的流动性对颗粒剂、囊胶剂、片剂等制剂的重量差异以及正常的操作有很大影响。定义压缩度与流动性LOREMLOREM1234压缩度（compressibility)压缩度是粉体流动性的重要指标，其大小反映粉体的凝聚性，松软状态压缩度20%以下的流动性较好，压缩度增大时，流动性下降

一种表征粉体流动性的新方法

欧阳鸿武，黄誓成，王琼，刘卓民

(中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)

摘要：粉体同时具有固体和流体的特征，粉体的“固−液”转变和表征粉体流动性成为粉体科学与工程中的一个热点和难点问题。根据低速转鼓中颗粒物质表面流动层剪切率γ的线性特征，提出将tγ=1/γ(即颗粒物质发生剪切变形的时间)作为表征粉体流动性的参数，并提出相应的测量和计算方法，其结果与采用霍尔流量仪测得的数据在特定条件下有良好的一致性。颗粒物质流动不仅对颗粒表面粗糙度及形状非[3]，个颗粒组成的四面体结构[27]，当倾斜度较低时颗粒能保持稳定，当斜面倾斜度达到一个临界值面的颗粒，产生一个颗粒尺寸的相对位移，颗粒物质打破原来的稳定状态发生运动，如图4所示。显然，在不同剪切程度下颗粒的运动状态不同。颗运动状态取决于一个无量纲的惯性数I[23]，它描述了上层颗时间tγ(表示上下两层颗粒发生相对位移为一个颗粒直I=tp/tγ。根据I的大小可以将颗粒的运动分为3种状态[23]：I≤0.01对应于土力学中的蠕变状态；0.01≤I≤0.2，对应于动力学理论的致密流动；I≥0.2，则对应于稀疏流动。研究表明[3,25]

：不同转速和转鼓直径下从涡心到自由表面的致密流动区域内颗粒的剪切变形速率都具有线性变化特征，平均剪切率γ体现了颗粒流动的平均剪切变形能力，综合体现了颗粒尺寸、形状、摩擦因数及流动状态等因素的影响。

为此，提出用致密颗粒流动层内平均剪切速率γ的倒数，即颗粒物质的剪切变形时间tγ来表征颗粒物质的流动性：

tγ=1/γ

(1)

通过测量颗粒物质的平均剪切率γ，就可以得到tγ，以此表征颗粒物质的流动性。

图3

斜面上颗粒物质稳定模型

Fig.3Stabilitymodelofgranularmatterininclinedplane

图4颗粒剪切变形时间tγ和重排时间tp物理含义示意图

Fig.4

Schematicshowingphysicalmeaningofdeformationtγ

andrearrangedtimescaletp

2.1.2颗粒物质剪切率及其影响因素

颗粒在转鼓中的运动有一个显著特点，即可以大致分为流动表层和静止底层两个区域，将颗粒物质从静止状态发展到流动、再由流动通过堵塞转变为静止的全过程有机地统一起来。通过调节转鼓的旋转速度，可控制颗粒物质的流动过程与流动状态。静止层(涡心以下区域)与流动层(涡心以上区域)单位宽度颗粒流率Q下和Q上分别为(坐标系如图2所示)：

中国有色金属学报2008年12月

22102)(d22

hRyyQRh−==∫ωω下

(2)

2dd2

0

0

γγhyyyvQhh===∫∫上

(3)

其中

R为转鼓半径，h为流动层厚度(颗粒直径的倍数)，ω为转鼓的转速，v为颗粒流动速度，y为图2坐标中颗粒沿y轴到原点o的距离。由于静止层与流动层的运动方向相反，根据转鼓中质量流守恒，则有Q下=Q上，可推出流动层中颗粒的平均剪切率γ：

]1)/[(2−=hRωγ

(4)

通过实验测量不同转速下表面流动层的厚度h，从而确定流动层的平均剪切率。将式(4)代入式(1)可得到tγ的表达式：

]1)/[(12−=hRtωγ

(5)

由于tγ为h和ω的函数，耦合了颗粒物质的物性(形状、尺寸等)、剪切膨胀的基本物理特征及转速ω(运动状态)的影响[28]。流动层厚度h的变化(伴随颗粒物质密度的改变和流速的变化)体现了颗粒物质在不同转速下运动状态的改变。对于同一颗粒材料，随着转速的改变tγ会发生相应变化，所以流动层厚度h能很好地体现运动过程的变化情形。可见，颗粒物质的剪切变形时间tγ能充分反映颗粒物质从静态到动态变化时的状态与过程，以及保持运动状态的能力。用tγ表征颗粒物质流动性不仅物理概念清晰，而且测量过程的可操作性和重复性强。

2.2

几种颗粒材料流动性的表征

根据实验测得不同转速下转鼓中颗粒流动层厚度及式(5)，绘制tγ与ω的关系，如图5所示。由图5可以看出在同一转速下，0.104mmCuP粉、0.05mm铁粉和0.104mm沙子3种粉末的平均剪切变形时间依次变大，所以它们的流动性也依次降低，这与漏斗中预测的结果和运用动力学安息角预测结果都具有定性的一致。结果表明：

1)颗粒物质的流动性不是一个定值，在不同运动条件或运动状态下(如转速改变)，“流动性”将发生变化。尽管致密流动层内颗粒的剪切率成线性关系，但颗粒流是非牛顿流体，在转鼓中其运动状态随转速的改变而变化，当转速提高接近9r/min时，3种不同颗粒物质的tγ值逐渐达到相近的饱和值。这一方面说明外界条件的变化对于颗粒剪切能力有重要影响，另一方面也表明，在一定条件下不同颗粒物质的流动性可能会趋于一致。

2)不同的颗粒(如粒径大小、形状不同)流动性存在一定差别。在特定条件和状态下，颗粒物质的流动性具有稳定性，测量结果重复性较好。BONAMY等[3,27]研究发现球形颗粒在转鼓中稳定流动时的剪切率基本相同，近似等于dg/5.0。由于本研究中的颗粒物质是具有一定粒度分布的异形粉末，其实验结果有别于单一尺度球形颗粒的流动性。这表明异形粉末的剪切率因颗粒形状的改变而偏离了球形颗粒的特征，说明颗粒形貌的变化将显著地影响颗粒物质的物性。

3)tγ耦合了颗粒物质的特征长度、边界/外部条件及颗粒物性对其流动性的影响，深刻地反映了颗粒剪切变形能力随着流动状态和过程的变化而改变的特征，用其来表征颗粒流动性具有可行性。测量颗粒物质在转鼓中流动层厚度随转速的变化情况(处于稳定流动时)，得到地结果与霍尔流动测试结果具有良好的一致性，可区分不同颗粒物质或不同流动状态下流动性的差异，表明将转鼓作为测量颗粒物质流动性的装置具有可行性、良好的操作性和测量的准确性，也避免了其他流动性测量方法的不足。

图5

剪切变形时间随转速的变化

Fig.5Relationsbetweenshearingdeformationtimeandrotatingvelocity

3结论

1)颗粒间的剪切变形速率反映了颗粒物质抗剪切或保持稳定流动状态的能力。采用剪切变形时间tγ作为颗粒物质流动性的表征参数，不仅反映出颗粒流动的状态特征，还综合了颗粒物性的影响。

2)根据转鼓中颗粒物质流动层厚度或自由表面倾角，获得流动层的剪切速率，进而计算得到颗粒物第18卷第12期

欧阳鸿武，等：一种表征粉体流动性的新方法

2211质的流动性，方法简便可靠，具有良好的一致性，其结果与采用霍尔流动仪检测到的结果定性一致，在一定条件下具有可比性。

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陈爱华)

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