母福生 董 方 史金東，2 許寶玉，3

1．中南大學(xué)，長(zhǎng)沙，410083 2．中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司，鄭州，450041 3．河南理工大學(xué)，焦作，454010

0 引言

1 塔式磨機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

塔式磨機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由筒體、傳動(dòng)裝置（包括電機(jī)及減速機(jī)）、螺旋攪拌器、機(jī)架等部件組成。電機(jī)經(jīng)減速機(jī)帶動(dòng)螺旋攪拌器，在填充一定磨礦介質(zhì)（鋼球、剛玉球或礫石等）的筒體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得磨礦介質(zhì)和物料在筒體內(nèi)作整體的多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。位于徑向上不同半徑處的磨球運(yùn)動(dòng)的線速度不等；位于軸向上層與層之間的磨球運(yùn)動(dòng)存在速度梯度，剪切力和擠壓力處處存在。磨機(jī)的工作原理是綜合利用研磨介質(zhì)之間的摩擦力、擠壓力、剪切力和沖擊力來(lái)研磨物料［4］。

圖1 塔式磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

本文通過(guò)塔式磨機(jī)試驗(yàn)機(jī)采用鋁土礦進(jìn)行試驗(yàn)，以研究塔式磨機(jī)磨礦機(jī)理、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)對(duì)磨礦效率的影響，為大型塔式磨機(jī)的應(yīng)用提供合理工藝參數(shù)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

2 磨礦試驗(yàn)方法

2．1 鋁土礦試驗(yàn)成分及粒度分布

試驗(yàn)選用河南低品位鋁土礦，顏色為灰褐色，原料100%通過(guò)3 mm的礦篩篩選，平均粒度為0．5 mm，其化學(xué)成分中 Al2O3、Si O2、Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為57．89%、13．61%、7．0%，其余成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21．43%，原料粒度分布如圖2所示。

圖2 原料粒度分析

2．2 試驗(yàn)設(shè)備

選用直徑為200 mm、高度為450 mm的塔式磨機(jī)，電機(jī)功率為2．2k W，轉(zhuǎn)速可從80～4000 r／min任意調(diào)整，介質(zhì)球直徑為5 mm、6 mm。

試驗(yàn)物料的粒度在74μm以上部分采用篩析分選，74μm以下部分采用BT－9300S激光粒度分布儀測(cè)試粒度組成。

2．3 試驗(yàn)方案

根據(jù)正交試驗(yàn)法，綜合攪拌器直徑與筒內(nèi)徑比值D／T、螺旋升角α（用螺旋導(dǎo)程與直徑比值表示）及鋁土礦成分確定合理轉(zhuǎn)速，按三水平三因數(shù)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

究其根源，目前服務(wù)供應(yīng)鏈研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)呈現(xiàn)出集中分散的基本態(tài)勢(shì)。從論文發(fā)表的內(nèi)容和方向來(lái)看，主要集中在兩個(gè)方面：一方面表現(xiàn)在從服務(wù)視角闡述供應(yīng)鏈管理問(wèn)題；另一個(gè)方面表現(xiàn)出將供應(yīng)鏈管理理論應(yīng)用于某個(gè)服務(wù)領(lǐng)域。而將服務(wù)供應(yīng)鏈作為一個(gè)系統(tǒng)概念進(jìn)行的研究還不集中，較為分散。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及水平設(shè)置

試驗(yàn)采用相同給料粒度、相同介質(zhì)球、相同礦料、相同液體配比及相同磨礦時(shí)間。

2．4 正交試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)表［5－8］并結(jié)合本試驗(yàn)要求進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果以－200目產(chǎn)率表示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

3 破碎模型

塔式攪拌磨的粉碎過(guò)程可以用Charles定律來(lái)描述［5－8］，即

式中，E為產(chǎn)品能耗，k W·h／t；d、d0分別為原料及超細(xì)粉碎產(chǎn)品的平均粒度，μm；β為指數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得的功率求得的能耗E及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品粒徑d，通過(guò)回歸分析求得本試驗(yàn)所用塔式攪拌磨對(duì)應(yīng)的超細(xì)粉碎方程為

本試驗(yàn)中的d0＝4．9μm，則

塔式磨機(jī)超細(xì)粉碎回歸方程曲線如圖3所示，從圖可見(jiàn)，回歸方程曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得較好，可以用于預(yù)測(cè)產(chǎn)品的平均粒徑。

圖3 塔式磨機(jī)超細(xì)粉碎回歸方程曲線

4 討論

4．1 攪拌器直徑的影響

塔式攪拌磨中，攪拌器直徑與筒內(nèi)徑比值D／T是影響設(shè)備效率的一個(gè)至關(guān)重要的工藝參數(shù)，直接關(guān)系到產(chǎn)品粒度和設(shè)備的生產(chǎn)效率。攪拌器直徑為110 mm時(shí)，試驗(yàn)3次，三次試驗(yàn)結(jié)果之和為KA1＝53．347。同理，攪拌器直徑為130 mm時(shí)，KA2＝66．070，攪拌器直徑為150 mm時(shí)，KA3＝82．653，其中KA3數(shù)據(jù)最大。試驗(yàn)結(jié)果表明螺旋葉片與筒體內(nèi)部直徑的比值D／T越大，產(chǎn)品－200目的產(chǎn)率越高，且中位徑粒度越細(xì)。

因此，攪拌器螺旋直徑的確定原則為：在保證攪拌螺旋與筒體內(nèi)壁之間不卡球的前提下，選擇盡可能大的D／T，使介質(zhì)球具有較大的動(dòng)能，以提高其沖擊能力。

4．2 螺旋升角對(duì)磨礦效果的影響

螺旋攪拌器作為軸向流攪拌器，物料及介質(zhì)顆粒流動(dòng)方向與攪拌軸平行。攪拌器對(duì)物料及介質(zhì)顆粒產(chǎn)生兩種作用，即剪切作用和循環(huán)作用。其中，剪切作用力的大小與固液攪拌體系中固體粒子的破碎率密切相關(guān)。攪拌功率P、剪應(yīng)力τe及循環(huán)量Qd的關(guān)系為：P∝τeQd。當(dāng)攪拌功率P一定時(shí)，剪應(yīng)力和循環(huán)量是兩個(gè)相反的因子。剪切型和循環(huán)型攪拌器一般用功率準(zhǔn)數(shù)Np和排量準(zhǔn)數(shù)Nqd之比來(lái)區(qū)分，Np／Nqd表示攪拌器攪拌功率用于剪切的比率，Np／Nqd越大，表示攪拌器的功率消耗于剪切的比率越大，消耗于循環(huán)的比率越??；反之，Np／Nqd越小，表示攪拌器的功率消耗于剪切的比率越小，消耗于循環(huán)的比率越大。

在塔式磨機(jī)中，攪拌器的螺旋升角是影響Np／Nqd大小的直接原因。螺旋升角在螺旋面上自內(nèi)向外逐漸變小，設(shè)計(jì)時(shí)一般將螺旋中徑處升角作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，即

式中，λm為螺旋中徑處升角，（°）；S為螺旋導(dǎo)程，m；Dm為螺旋中徑，m。

式（4）中導(dǎo)程與中徑比值越小，則螺旋升角越小，在豎直方向?qū)ξ锪系奶嵘嵌仍叫?，提升力越小，克服重力在徑向的運(yùn)動(dòng)阻力越大，則剪切力越大。

同上述方法，按照正交試驗(yàn)結(jié)果可以得出S／D 為1．2、1 及0．8 時(shí)，KB1＝65．813、KB2＝65．873、KB3＝70．383，其中KB3最大。試驗(yàn)表明，小的螺旋升角有利于增強(qiáng)攪拌機(jī)的剪切作用，提高磨礦效率。

確定螺旋升角時(shí)，還應(yīng)考慮礦料特性及其介質(zhì)徑向速度和切向速度的比例等因素。

4．3 轉(zhuǎn)速的影響

攪拌磨依靠離心力推動(dòng)磨礦介質(zhì)以磨碎礦粒。轉(zhuǎn)速越高，研磨介質(zhì)受到的離心力越大，相互之間的擠壓力也越大；研磨介質(zhì)之間的速度差越大，剪切力也越大。從提高粉碎效率和效果考慮，應(yīng)采用較高的攪拌轉(zhuǎn)速［9－10］。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速增加，鋁土礦磨礦效率并未隨之線性增加。有以下三方面原因：

（1）過(guò)高的轉(zhuǎn)速使得礦物、介質(zhì)球及水在離心力的作用下發(fā)生了分層或分離，大的固體顆粒被甩到筒內(nèi)壁，且沿內(nèi)壁落到底部，介質(zhì)與物料之間的碰撞擠壓減小。

（2）轉(zhuǎn)速的提升使軸心部分出現(xiàn)漩渦，降低了被攪拌物料的表面密度，使攪拌功率急劇下降。

（3）過(guò)高的轉(zhuǎn)速使得單位時(shí)間內(nèi)軸向克服重力做功增加，徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)克服重力產(chǎn)生的磨擦力減小，剪切力減小，降低了攪拌效率。

同時(shí)，高轉(zhuǎn)速增加了磨機(jī)的消耗功率，使攪拌器與攪拌磨內(nèi)襯磨損加劇，磨礦介質(zhì)也易于破損，降低了磨機(jī)能量利用率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)磨礦效率會(huì)略有下降。

為保證設(shè)備穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，攪拌器的工作轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高。適宜的線性速度為6～8 m／s。

5 結(jié)論

（1）塔式攪拌磨的粉碎過(guò)程符合Charles定律。

（2）在保證螺旋直徑至筒體內(nèi)壁之間不卡球的情況下，盡可能選擇大的D／T，利于介質(zhì)球獲得較大動(dòng)能。

（3）應(yīng)根據(jù)礦料特性并結(jié)合介質(zhì)徑向速度和切向速度的比例來(lái)選擇合適的螺旋升角，便于將能量轉(zhuǎn)化為剪切能，提高磨礦效率。

（4）適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速有利于改善磨礦效率，但轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)使能量利用率降低，生產(chǎn)選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮。

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