趙海波

(湖南長高礦山機電設備有限公司，湖南長沙 410007)

攪拌作為一種應用廣泛的單元操作，在有色金屬工業(yè)生產(chǎn)中占有相當重要的地位。

機械攪拌裝置是以液體為主體作為操作介質。有色金屬行業(yè)中，這些液體介質均屬牛頓型流體，且其粘度都在2 000 mPa·s以內。

攪拌作業(yè)按其目的不同，有固液相的懸浮與分散攪拌、混合攪拌、傳熱攪拌、傳質攪拌等等。在實際生產(chǎn)過程中，攪拌作業(yè)需要實現(xiàn)多項綜合性的目的或效果，但最基本的目的是固液相的懸浮。只有實現(xiàn)固相顆粒在槽內液位80%以上高度內均勻懸浮，即美國《Chemical Engineering》雜志于1976年發(fā)表的按“攪拌等級”描述的四級以上的強度，其它作業(yè)如混合、傳質、傳熱等才能實現(xiàn)。

有色金屬行業(yè)的攪拌作業(yè)，介質磨蝕性較強或常具有腐蝕性質，而不同的工藝過程對設備結構、規(guī)格、材質等存在多樣性要求，但制作的數(shù)量較少，常常是單件生產(chǎn)，所以難以實現(xiàn)系列化定型供貨，對此類設備稱為非標設備，均按工藝實際要求進行選型、設計和制作供應。

1 問題的提出

機械攪拌裝置在有色金屬行業(yè)的應用越來越廣泛，特別是選礦過程的固液懸浮和溶解攪拌及冶煉過程的固液懸浮、溶解和調合過程。在行業(yè)競爭越發(fā)激烈的條件下，企業(yè)既要保證產(chǎn)品質量第一，又要保證在競爭中處于優(yōu)勢，于是對攪拌裝置的成本要求越來越苛刻。

機械攪拌裝置示意圖如圖1所示。

圖1 機械攪拌裝置示意圖

固液懸浮作業(yè)，葉輪轉速nJ與葉輪直徑dJ的乘積正比于攪拌葉輪的線速度，也正比于槽內橫截面上的表觀流速，它決定懸浮作業(yè)的強度。如何合理確定nJ和dJ之值，是本文討論的要點。以下就機械行業(yè)常用的幾種攪拌裝置的主要參數(shù)和功率選擇方法進行比較分析。

2 機械攪拌裝置參數(shù)選擇

攪拌軸功率計算公式:

式中NP為功率準數(shù)(常數(shù));ρ為液相的密度/kg·m－3; nJ為葉輪直徑/mm;dJ為葉輪轉速/r·min－1。

攪拌軸功率計算參數(shù)的選擇計算:

1.dJ為葉輪直徑，根據(jù)美國萊寧公司(LIGHTNIN)開發(fā)了用于固相懸浮作業(yè)、采用軸向流型的四折葉旋槳式高效葉輪:dJ/D=0.2～0.5，D為攪拌設備直徑/mm。

2.nJ為攪拌速度，根據(jù)Chemical Engineering雜志1976年發(fā)表的按“攪拌等級”確定nJ的方法計算:

式中Vc為固體顆粒的設計沉降速度/m·s－1，Vc=φv ×Vd;Vd為固體顆粒在水中的平均沉降速度/m·s－1; φv為校正系數(shù)/(常數(shù))，濃度50%;φx為相關作用參數(shù)(常數(shù))，6級攪拌等級時，φx=1.1×1011。

3 參數(shù)選擇計算結果及討論

根據(jù)固液懸浮決定攪拌效果的主要因素:葉輪線速度VJ=π×nJ×dJ/60，根據(jù)攪拌裝置的放大原理，為達到固液懸浮(有色金屬行業(yè)經(jīng)驗:線速度為5～5.5 m/s)的目的，對放大因子nJ、dJ進行選擇比較分析。

3.1 參數(shù)選擇方案

以φ3.0×3.0攪拌器為例(以下均為已投產(chǎn)正常運行產(chǎn)品)，有如下的參數(shù)選擇方案:

方案A:高nJ，低dJ/D:nJ=210 r/min;dJ/D= 0.23、dJ=700 mm(查選礦施工圖設計手冊、皮帶輪傳動)。

方案B:低 nJ，高dJ/D:nJ=65 r/min;dJ/D= 0.48、dJ=1 450 mm(減速機傳動)。

方案C:居中nJ，dJ/D:nJ=95 r/min;dJ/D= 0.33、dJ=1 000 mm(減速機傳動)。

3.2 參數(shù)計算結果及討論

3.2.1 攪拌軸功率計算

攪拌軸功率計算公式:

根據(jù)功率計算公式分別計算三種方案所需的功率:

比較三種功率:NCA∶NCB∶NCC=1.81∶2.05∶1

3.2.2 攪拌軸直徑計算

攪拌軸直徑計算公式:

式中Mu為扭矩/Nm，Mu=97 400×NC/nJ;τu為軸材料的許用剪應力/kN·m－2。

根據(jù)直徑計算公式分別計算三種方案攪拌軸的直徑:

比較三種攪拌軸直徑:d0A∶d0B∶d0C=1∶1.52∶1

3.2.3 攪拌軸重量計算

攪拌軸重量計算公式:

式中L為攪拌軸軸長度/mm;δ為攪拌軸材料密度/kg·m－3。

根據(jù)重量計算公式，比較三種攪拌軸重量:GA∶GB∶GC=1∶2.31∶1

3.2.4 傳動方式比較分析

比較減速機與皮帶輪傳動特點，減速機傳動特點:承載能力高、體積小、重量輕、噪音低、效率高、可靠性高，互換性強。皮帶輪傳動特點:有彈性滑動和打滑;傳動效率較低和不能保持準確的傳動比;皮帶的壽命較短;轉速快造成攪拌葉輪極易磨損，且皮帶輪的直徑等尺寸都是自己根據(jù)減速比配的;皮帶輪為鑄造件加工困難，且互換性差，造成后期維護成本高;皮帶輪小，帶輪為標準輪，規(guī)格在φ200以上，傳動比越大，即大帶輪直徑越大，不適合大傳動比傳動。

通過減速機與皮帶輪傳動的比較知:減速機傳動已逐漸替代皮帶輪傳動。

通過攪拌軸功率計算比較知:方案C比方案B所需減速機功率更小，即功耗最小。

通過攪拌軸直徑及重量計算知:方案C比方案B所需材料制作成本更小，即利潤最大。

4 結語

在有色金屬行業(yè)中，固液懸浮中的固相一般為含有價金屬的礦物，其密度一般大于3 g/cm3，粘度低屬于牛頓型流體(即其粘度不隨攪拌設備中的攪拌轉速變化，也不隨位置而變);且一般礦石需經(jīng)過球磨機研磨，研磨后礦石顆粒大小一般為－74 μm以下70%～80%，少部分顆粒大小為200～300 μm;而行業(yè)經(jīng)驗:線速度在5～5.5 m/s時，可以保證固相顆粒在槽內液位80%以上高度內均勻懸浮，即達到6級攪拌等級。

通過以上幾種參數(shù)的計算比較，得知方案C:采用減速機傳動，葉片轉速nJ=95 r/min，葉片直徑dJ=1 000 mm，線速度為5 m/s，在保證相同攪拌效果的條件下所需減速機功率最低、攪拌軸直徑及重量最小，且耐磨損即壽命較長，符合企業(yè)既要滿足客戶需求又生產(chǎn)成本最低化的要求。同類產(chǎn)品均可按以上方法選用參數(shù)。

此類產(chǎn)品在陜西華光金堆城、貴州洋浦恒立化工有限公司、廣西中金嶺南礦業(yè)有限公司、金川集團有限公司等單位已投入生產(chǎn)，深受客戶好評。

［1］ 《選礦施工圖設計手冊》編委會.選礦施工圖設計手冊(中冊)［M］.長沙:湖南科學技術出版社，1993.

［2］ 陳志平，章序文，林興華，等.攪拌與混合設備設計選用手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2001.

［3］ 《化工設備設計全書》編輯委員會.化工設備設計全書攪拌設備［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003.

［4］ Tanase Gh.Dobre，José G.Sanchez Marcano.Chemical Engineering［M］.加拿大:Elsevier Science，2007.