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07
2023
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01
“静”与“动”：粉体的摩擦性与流动性
粉体是物质存在的一种状态，既不同于气体、液体，也不完全同于固体。在外力作用下，粉体会呈现出固体所不具备的变形与流动性——流变特性。其中，粉体的变形与摩擦性有关，应用场合包括堆粉贮存、压粉成型等场合，要求粉体在变形后能够“静若处子”，从而维持状态不变；粉体流动性的应用场合包括给料、输送等环节，要求粉体能够“动若脱兔”，从而提高生产效率。
1 粉体的摩擦性
粉体的摩擦性一般由摩擦角来表征。摩擦角代表粉体阻碍内部破坏或滑动的能力，可以衡量粉体由静转动（变形）的难易程度。在粉体队伍中，摩擦角就如同军队里铁一般的纪律，可以约束“颗粒士兵”的行为，规定粉体在什么条件下保持静止，在什么条件下可以运动。粉体的摩擦角包括内摩擦角、休止角、壁摩擦角和滑动摩擦角等。
2 粉体的流动性
对于阵地战的战场，战斗力强且持久的军队才有可能获得最终的胜利。事实上，要达到这种效果也非难事，只要兵源充足且能连续替补即可；在这里，替补的连续性至关重要。粉体的阵地往往是料仓，只有颗粒源源不断地流动、替补，形成连续的“战斗力”，才能圆满完成给料、输送等任务。一般情况下，粒度小、比表面积大、表面粗糙、形状不规则、水分含量高的粉体流动性差，可以通过粉体造粒、粉体表面改性、机械磨抛、干燥等方式来改善。另外，粉体的流动性不仅与粉体本身相关，还与料仓的材质、结构等关系密切。料仓内粉体的流动性可以采用下表的物理量进行分析。
3 粉体摩擦性与流动性的应用
3.1 防止粉体结拱
结拱是粉体给料、输送操作时的常见问题，会直接导致卸料口堵塞，阻止粉体持续流动。
粉体结拱原因包括：①内摩擦力与内聚力共同作用，使粉体形成固结强度，阻碍颗粒运动；②粉体与仓壁的壁摩擦角大；③外界因素导致粉体内聚；④卸料口径太小。
粉体结拱解决措施包括：①根据粉体的摩擦性与流动性，正确设计料仓的材质与几何结构；②采用气动、振动和机械等外力破拱方式。
3.2 设计整体流料仓
粉体在料仓中的流动模式分为漏斗流和整体流两种。漏斗流料仓的中间形成一锥形通道，周围滞留区颗粒密实且表现出很差的流动性，导致流料通道不稳定、出现料拱、后进先出等现象发生；而整体流料仓的全部粉体沿仓壁移动，均处于运动状态，避免了粉体的不稳定流动，形成了先进先出的流动，最大限度地减少了存储期间的结块、变质和偏析问题。
整体流料仓设计时，料斗必须足够陡峭，使粉体能够沿斗壁流动，而且开口也要足够大，以防止形成料拱；另外，任何卸料装置必须在全开的卸料口上均匀卸料，避免颗粒流动偏向于出料口的一侧。
根据粉体的流动性判据，粉体结拱的临界条件为FF=ff，据此可推导出料仓最小卸料口径B＞f·H(θ)/ρ，其中f为结拱时临界开放屈服强度，H(θ)为料斗半顶角θ的函数，ρ为粉体容积密度。因此，在料仓设计时，可减小料斗的半顶角θ，但这样会增加料仓的高度；料仓壁尽量选用壁摩擦系数小的材料，如玻璃、聚四氟乙烯、不锈钢等，当料斗壁的表面足够光滑时，则可适当增大料斗的半顶角，从而降低整个料斗的高度。
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