鄧麗榮, 王曉剛, 陸樹河, 樊子民, 華小虎, 朱　明, 劉向春

(西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安　710054)

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自制可視化粉體分級(jí)裝置在材料類專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

鄧麗榮, 王曉剛, 陸樹河, 樊子民, 華小虎, 朱明, 劉向春

(西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安710054)

利用自制的微納米粉體分級(jí)裝置開設(shè)了微納米粉體分級(jí)綜合實(shí)驗(yàn)。分級(jí)全程可視化操作,讓學(xué)生對微納米粉體分級(jí)原理、分級(jí)過程和分級(jí)效果有一個(gè)全面的了解。通過讓學(xué)生接觸所在專業(yè)的科學(xué)前沿,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的興趣以及動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)造精神。闡述了該裝置的設(shè)計(jì)思路、工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、可完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和取得的成效。

微納米粉體分級(jí)裝置; 綜合實(shí)驗(yàn); 分級(jí)原理

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與科技的迅猛發(fā)展,對高校提出了“寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、強(qiáng)能力的創(chuàng)新性人才”培養(yǎng)要求,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)施“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”、實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育和創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)、 加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。作為高等教育不可或缺的組成部分,實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅有助于學(xué)生深化對理論知識(shí)的理解和培養(yǎng)動(dòng)手操作能力,也有助于學(xué)生形成良好的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神[1-3]。目前,我校在建設(shè)省級(jí)礦物材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心實(shí)踐中,對材料類專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)課程也進(jìn)行了重大改革[4]，大力縮減了以驗(yàn)證性為主的課程實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)操作性強(qiáng)、富于啟發(fā)性、思考性和設(shè)計(jì)性、有工業(yè)應(yīng)用背景的科研成果提煉轉(zhuǎn)化為綜合性實(shí)驗(yàn)[5-11],并將綜合性實(shí)驗(yàn)的比例提高到實(shí)踐教學(xué)比例的80%以上。

我們在長期的教學(xué)、科研和成果轉(zhuǎn)化實(shí)踐過程中體會(huì)到,在材料的開發(fā)和研究中,材料的使用性能很大程度上決定于所采用的粉體原料的粒度、純度、均勻度等特性。根據(jù)材料的應(yīng)用領(lǐng)域和要求有目的地進(jìn)行粉體的精細(xì)處理,是獲得性能優(yōu)良的材料的前提。越來越多的行業(yè)已經(jīng)關(guān)注并應(yīng)用到微納米粉體分級(jí)等精細(xì)處理技術(shù),因而掌握微納米粉體分級(jí)原理和技能的大學(xué)畢業(yè)生備受企業(yè)青睞。為此,作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一部分,我們將具有工業(yè)應(yīng)用背景的科研成果——微納米粉體分級(jí)提煉成一門綜合實(shí)驗(yàn)，并引入到實(shí)踐教學(xué)中,讓本科學(xué)生能夠接觸到材料專業(yè)的科學(xué)前沿,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的興趣以及動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新精神。

1　設(shè)計(jì)思路

微納米粉體由于粒度細(xì)、表面能高、易團(tuán)聚等特點(diǎn),現(xiàn)有的分級(jí)裝備如MS型分級(jí)機(jī)、ATP型分級(jí)機(jī)、LHB型分級(jí)機(jī)、溢流水力分級(jí)機(jī)、臥式螺旋離心分級(jí)機(jī)、小直徑水力旋流器等干式和濕式分級(jí)設(shè)備都難以成功實(shí)現(xiàn)微納米粉體的窄粒徑分級(jí)；而且工業(yè)上已成熟應(yīng)用的分級(jí)設(shè)備由于體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難讓學(xué)生透徹理解其分級(jí)原理和分級(jí)機(jī)制,更難以實(shí)現(xiàn)微納米粉體分級(jí)過程的可視化。為此,我們根據(jù)長期實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和課題組在微納米粉體分級(jí)方面的科研成果,自行研制了可視化的微納米粉體分級(jí)裝置(見圖1),實(shí)現(xiàn)了粉體分級(jí)過程的全程可視化和可控制，讓學(xué)生對粉體分級(jí)原理、分級(jí)過程和分級(jí)效果有一個(gè)全面的了解和把握。

圖1　微納米粉體分級(jí)裝置

2　分級(jí)裝置工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對于微納米粉體的分級(jí),傳統(tǒng)分級(jí)方法的任何流

體由于橫截面上速度分布不穩(wěn)定、不均勻,難以實(shí)現(xiàn)微納米粉體的分級(jí)。強(qiáng)有力的層流和穩(wěn)定、均勻的力場是實(shí)現(xiàn)微納米粉體分級(jí)的關(guān)鍵所在。我們通過借鑒水文地質(zhì)學(xué)、環(huán)境工程學(xué)和流體力學(xué)等學(xué)科的知識(shí),設(shè)計(jì)了微納米粉體上升層流水力分級(jí)裝置。該分級(jí)裝置的工作原理:分級(jí)管由多個(gè)直徑變化的柱形管、錐形管和梯形管組成,保證水流速度由下而上逐漸變小。分級(jí)管下段的組合管內(nèi)根據(jù)分級(jí)需要填充不同孔徑的多孔陶瓷模塊,用于水流的分散、穩(wěn)定和粉體的分級(jí)。經(jīng)過調(diào)節(jié)水流速度,使分級(jí)管內(nèi)的流體出現(xiàn)均勻、穩(wěn)定的層流后,啟動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng),將已充分分散好的料漿送入分級(jí)管下部的進(jìn)料口處,并經(jīng)過多孔陶瓷模塊進(jìn)入分級(jí)區(qū)域。由于多孔陶瓷模塊的存在,其內(nèi)部彎彎曲曲、大小不一的流道使得較大顆粒的運(yùn)動(dòng)受到顆粒與多孔陶瓷模塊之間黏附作用的影響,部分大顆粒被截留在多孔陶瓷模塊內(nèi)部,較大的顆粒由于運(yùn)動(dòng)受阻,上升速度變慢,讓更小的顆粒優(yōu)先溢流而出。溢流出來的小顆粒在分級(jí)管內(nèi)繼續(xù)隨上升層流向上運(yùn)動(dòng),并按粒度的大小和比重進(jìn)行有序的排列,通過在不同高度的取料口獲得不同粒度的產(chǎn)物[12]。

分級(jí)裝置結(jié)構(gòu)見圖2。采用完全透明的有機(jī)玻璃制作分級(jí)管,可開啟式不銹鋼罩作為隔離罩以減少分級(jí)過程中外部環(huán)境的干擾。通過可調(diào)式的恒流泵,讓學(xué)生能夠在調(diào)節(jié)水流速度和多孔陶瓷模塊結(jié)構(gòu)中采用示蹤液直觀地觀察到流體由紊流進(jìn)入過渡流最終完全層流化的整個(gè)過程。研究在不同的流體狀態(tài)下微納米粉體分級(jí)產(chǎn)物的粒度分布狀態(tài)和產(chǎn)物的物理性能。通過這樣的一個(gè)綜合實(shí)踐過程,讓學(xué)生對粉體分級(jí)原理、分級(jí)過程和分級(jí)效果有一個(gè)全面的了解。在可視化的操作過程中,也能增加學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣。

圖2　分級(jí)裝置結(jié)構(gòu)

3　可完成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

目前,實(shí)驗(yàn)中心已建立6套微納米粉體分級(jí)裝置,為材料類專業(yè)的無機(jī)非金屬材料每年3個(gè)班共96名本科生開設(shè)微納米粉體分離綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括:穩(wěn)態(tài)層流的調(diào)控與表征；微納米粉體的分散；微納米粉體分級(jí)工藝研究；分級(jí)產(chǎn)物的顯微觀察和粒度分析；微納米粉體分級(jí)小論文撰寫。

4　取得的成效

該分級(jí)裝置采用示蹤液,能夠直觀看出分級(jí)管內(nèi)紊流調(diào)節(jié)到層流的整個(gè)過程(見圖3)。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù),可獲得平均粒徑為0.3、0.5、1 μm等微納米粉體的分級(jí)產(chǎn)物。該裝置于2015年10月獲得國家發(fā)明專利授權(quán)(ZL 201520559947.6)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生選課踴躍,反響很好；學(xué)生在較高層次上了解了粉體分級(jí)領(lǐng)域中特殊的研究方法和手段；引入了由科研成果提煉轉(zhuǎn)化來的微納米粉體綜合實(shí)驗(yàn)方案,有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際應(yīng)用能力。通過讓學(xué)生在查閱資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案過程中接觸到粉體工程研究的前沿,拓寬了學(xué)生的知識(shí)視野,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和解決問題的能力,也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

圖3　分級(jí)管內(nèi)流態(tài)變化

實(shí)踐證明,“微納米粉體分級(jí)裝置”可以應(yīng)用到材料類專業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,并達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。該裝置不僅應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),還可以應(yīng)用于本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“大學(xué)生挑戰(zhàn)杯”等科技活動(dòng)以及本科畢業(yè)論文和科學(xué)研究,有著良好的推廣前景。

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Application of self-made visible equipment of powder classification in comprehensive experiment for undergraduates in material major

Deng Lirong, Wang Xiaogang, Lu Shuhe, Fan Zimin,Hua Xiaohu, Zhu Ming, Liu Xiangchun

(College of Material Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technolege,Xi ’an 710054, China)

A comprehensive experiment of micro-nano powder classification was set up by using self-made equipment. The whole process of classification experiment can be visible to make the students know the classification principle, process and results of micro-nano powder very well. By allowing students to contact the scientific frontier of their major, this paper further develops the students’ interest in science and the ability to operate and also the spirit of innovation and creation. The design idea,working principle, structure characteristic,experimental content and the results of this experiment are described.

micro-nano powder classification equipment; comprehensive experiment; classification principle

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.023

2015-12-09修改日期:2016-02-22

2014年陜西高等學(xué)校人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目；國家發(fā)明專利(ZL201520559947.6)

鄧麗榮(1984—)，女，廣東清遠(yuǎn)，碩士，工程師，研究方向?yàn)闊o機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作.

E-mail:denglirong84@163.com

TB383;G642.0

B

1002-4956(2016)6-0086-03