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07
2023
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09
石灰石骨料在立式混合机和/或输送式混合中的试验和离散元模型研究 (2)
关键词:
来源：公司内部
3. 结果与讨论
3.1. 实验#1
图 1 显示了 DEM 研究的四个粒子的粒子路径。这些粒子是随机挑选的，每个都取自圆形截面的四个象限之一。此外，在立式静态混合机中，使用 Poincare 图呈现颗粒路径。在图 4 中，显示了粒子在立式静态混合机中六个不同Poincare 段的高度位置：0·H、0.5·H、1·H、1.5·H、2·H和3·H。颜色参数是一个逻辑表达式，用于标记位置 x < 0（黄色）和 x > 0（蓝色）处的粒子的初始颜色。当粒子跟随粒子流流动时，混合开始。在混合机的末端，颗粒还没有完全混合--只有黄色和蓝色颗粒的关键区域需要更好地混合。
图 4. (a) 三元件立式静态混合机方案 (b) 三元件立式静态混合中不同Poincare截面的粒子轨迹(H——混合元件高度)
在所有三组试验和数值研究中，相对标准偏差值均下降。混合质量随着立式静态混合机中混合元件数量的增加而提高。实验结果与 DEM 模型结果（以 RSD 值表示）之间的对比如图 5（实验 #1）所示。
图 5. 实验 #1 的 RSD 估计
DEM 方法用于研究粒子在整个混合过程中的运动，涉及三个笛卡尔维度中的粒子力学（跟踪、定位和运动）。特定颗粒的位置在混合过程中会发生根本变化，力学参数（位置、速度和加速度）也会随之发生变化，有利于提高混合质量。
通过立式静态混合机的一个部件后，石灰石骨料混合物颗粒的均匀性结果显示 RSD 值分别为 90.68、94.50、95.78、91.23、91.65 和 90.28%，二元混合物的 RSD 值分别为 90.68、94.50、95.78、91.23、91.65 和 90.28%。二元混合物的 RSD 值分别为：（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），均为 28%，远远超出了10%的推荐值。
石灰石骨料混合物通过装有 1、3 或 5 个元件的立式静态混合机时的均匀性表明，RSD 值呈下降趋势，说明混合效果较好，但没有达到 RSD < 10%。此外，图 5 显示了 RSD 值与通过立式静态混合机次数的关系。通过增加混合元件数量可以降低 RSD，但不能降到 10% 以下。此外，增加混合部件数量，购买立式静态混合机的成本增加。图 5 还表明数值结果与试验结果一致，交叉引用了获得的 RSD 值（r2 为 0.968）。
3.2. 实验#2
实验#2 中调查了减少输送式混合机相对统计偏差的可能性。整个输送式混合机的混合持续时间设置为：4、12 或 20 分钟，均匀性测试的结果由 RSD 标准评估得出，如图 6 所示。
图 6. 实验 #2 中的 RSD 结果
在输送式混合机中混合后，石灰石骨料混合物（未预先使用立式静态混合机进行预混合）的均匀性结果估计表明，20 分钟后，实验的 RSD 介于 45.10 至 54.76% 之间，而 DEM 模拟用式静态混合机在介于 45.25 至 55.60% 之间，尚未达到最好的混合水平。在图6中，表明试验研究的结果与使用DEM计算的结果的相似性，而实验结果与DEM结果之间的r2值为0.983。
3.3. 整个输送混合器的颗粒流场
在实验 #2 中，使用 DEM 计算研究了进料高度对输送式混合器流场的影响。颗粒进料的高度设置为400、450和500mm。在混合过程中，材料使用中央螺旋输送机从锥形部分的底部取出，并连续转移到混合机的顶部，在重力作用下落下（图3b）。图 7 解释了不同高度进料的速度场分配。图 7 监测了三种进料高度（400、450 和 500 mm）下的下行流和顺时针方向的速度大小偏差。位于较高位置的颗粒的速度大小和速度矢量都有所降低。随着进料高度的增加，可以观察到整个料斗中颗粒的向下速度大幅增长。
图 7 输送式混合机料斗内不同高度的颗粒流分布，进料高度为：(a) 400 mm；(b) 450 mm和 (c) 500 mm。
3.4. 实验#3
在实验#3中，石灰石骨料混合物使用配备有五个元件的立式静态混合机（在实验#1中）预先混合，然后在输送式混合器中混合。为了改善结果，我们尝试将搅拌时间缩短至实验 2 的 3/4。在实验 #3 中，混合时间设定为 3、9 或 15 分钟。
图 8 显示了该实验结果，显示混合时间减少，混合效果也有所改善（实验调查的 RSD 值在 15 分钟后达到 3.34 到 13.79 之间的水平，而 DEM 研究的 RSD 值在 15 分钟后达到 3.50-13.95% 的水平）。因此，实验 #3 中的所有三个混合周期都缩短为实验 #2 中获得的周期的 3/4，RSD 值也有所降低。然而，所有混合物在 15 分钟后都没有达到所需的高均匀度，对于 1 ÷ 3 毫米的石灰石骨料混合物，搅拌时间应延长至 20 分钟，对于 1 ÷ 4 毫米或 2 ÷ 4 毫米的石灰石骨料混合物，搅拌时间甚至应延长至 25-30 分钟。因此，如果在主混合器之前应用立式静态混合机，则生产线中的最终混合机的工作量减少。
图 8. 实验 #3 中得出的 RSD 结果
图 8 显示了实验混合持续时间的 RSD 值和 DEM 模拟结果。很明显，随着混合时间的增加，RSD 值减小。实验研究和 DEM 研究结果在混合质量计算方面很相似，前几组实验的情况也是如此（r2 为 0.995）。
4. 结论
本文通过实验研究和离散元素法（DEM），对用于自密实混凝土混合物的石灰石细骨料在立式静态混合机、输送式混合机以及这些混合机的耦合作用下的混合过程进行了研究。本项研究目的为研究建造一种经济实惠、易于制造、操作简单，可以安装在混合生产线上的设备，提高混合的最终质量并缩短混合时间。我们采用 DEM 方法，通过实验和数值研究对这一任务进行了调查。
共进行了三次实验。在实验1中，使用具有一个、三个或五个元件的立式静态混合机进行混合。根据 RSD 标准，五个元件的混合效果最好。尽管如此，其RSD 值大于 10%，说明混合行为并不合适。在实验 2 中，研究了传送式搅拌机中的混合过程，并根据搅拌持续时间对过程结果进行了估算。试验研究和 DEM 模拟的 RSD 值分别在 45.10% 和 54.76% 之间，DEM 模型的 RSD 值在 45.25% 和 55.60% 之间。
在最后的实验中，石灰石骨料混合物预先在配有五个元件的立式静态混合机中混合，主要的混合过程在输送式混合机中进行，实验#3的混合时间缩短至之前试验的3/4。实验 #3 的结果表明，对于具有相似粒径的混合物，仅混合 15 分钟后就达到了 RSD 高点。然而，粒径差异较大的混合物（例如 1 ÷ 4、2 ÷ 4 或 1 ÷ 3 mm 混合物）在 15 分钟后仍未充分混合（RSD 不低于 10%），即使在立式静态混合机中进行了预混合也是如此。不过，可以通过延长混合过程的时间，进一步降低RSD 值。
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Pezo, L. L., Pezo, M., Terzić, A., Jovanović, A. P., Lončar, B., Govedarica, D., & Kojić, 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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