許維維，魏鏡弢，楊　杰，李愛玲

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

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立式攪拌球磨機(jī)最優(yōu)化參數(shù)的仿真與試驗(yàn)

許維維，魏鏡弢，楊杰，李愛玲

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

摘要：引入離散元仿真技術(shù)對立式攪拌球磨機(jī)進(jìn)行了仿真研究，旨在探索介質(zhì)球配比對-200目礦粒產(chǎn)量的影響，得出介質(zhì)球的不同配合比例對能量轉(zhuǎn)化率的影響。應(yīng)用EDEM軟件對磨機(jī)內(nèi)介質(zhì)球的運(yùn)動情況進(jìn)行了仿真，得到了介質(zhì)球和礦料在不同時刻的能量變化和速度變化情況。將鉑鈀礦進(jìn)行了分組試驗(yàn)，得到了-200目礦粒的產(chǎn)量，與EDEM軟件仿真的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了結(jié)論的正確性，為立式攪拌球磨機(jī)的工作參數(shù)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：立式攪拌球磨機(jī)；離散元法；介質(zhì)球；細(xì)磨

立式攪拌球磨機(jī)又叫塔磨機(jī)，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于涂料、化工、醫(yī)藥和冶金等諸多領(lǐng)域。在礦物的粉磨領(lǐng)域中，其與常規(guī)的普通臥式球磨機(jī)相比，具有粉磨效率高、產(chǎn)品粒度細(xì)、顆粒均勻和節(jié)約球磨介質(zhì)(較臥式球磨機(jī)節(jié)約磨球20%～30%)等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而立式攪拌球磨機(jī)的磨礦效率主要受下述5個因素影響：礦料參數(shù)、立式攪拌球磨機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分以及運(yùn)行參數(shù)、介質(zhì)球、助磨劑以及磨礦環(huán)境體系。本文主要通過對介質(zhì)球的配比進(jìn)行研究優(yōu)化，為實(shí)際生產(chǎn)中立式攪拌球磨機(jī)的細(xì)磨效率、能耗等方面提供一些研究結(jié)論。

1立式攪拌球磨機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1筒體

本文采用的立式攪拌球磨機(jī)的筒體容積為3 L，筒高為210 mm，筒體內(nèi)徑為70 mm，筒壁厚7 mm，其筒徑比為3∶1。筒壁的材料采用不銹鋼。

1.2螺旋器

本文采用單頭螺旋線攪拌器，螺旋導(dǎo)程為77 mm，螺旋外經(jīng)為77 mm，計算得螺旋升角為26.8°[2]。

1.3介質(zhì)球的配比

在長期的實(shí)際生產(chǎn)中，總結(jié)出了如下幾種介質(zhì)配比方法[3]：給料粒度組成相關(guān)法、等比重法、質(zhì)量直徑比法和等表面積法等。設(shè)介質(zhì)球的密度相同且為ρ，混合礦料分成A、B等2個窄級別，質(zhì)量百分含量分別為p1、p2。對應(yīng)于窄級別A、B的2種最佳尺寸介質(zhì)球數(shù)分別為N1、N2；介質(zhì)球直徑分別為d1、d2；質(zhì)量分別為m1、m2。

1)給料粒度組成相關(guān)法的計算公式如下：

(1)

(2)

聯(lián)立式1和式2，得：

(3)

2)等比重法的計算公式如下：

(4)

3)質(zhì)量直徑比法和等表面積法的計算公式如下：

(5)

即：

(6)

(7)

通式得：

(8)

通過對介質(zhì)球大小的研究，本文采用直徑為10和8 mm的2種介質(zhì)球的質(zhì)量配比方法來進(jìn)行研究，分別選取1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1等5種配比方案。選取的螺旋攪拌器轉(zhuǎn)速為270 r/min，磨球的平均孔隙率為0.38，介質(zhì)密集率為0.62，填充率為60%，介質(zhì)球以及礦料的質(zhì)量見表1。

表1　不同配比介質(zhì)球和礦料的質(zhì)量

2介質(zhì)球配比的磨礦仿真分析

2.1介質(zhì)球配比對能量轉(zhuǎn)化率的影響

不同的介質(zhì)球配比使介質(zhì)球和礦料在轉(zhuǎn)速為270 r/min和填充率為0.6時能夠獲得不同的能量，通過仿真提取出攪拌器的功率值和介質(zhì)球及礦料的動能值，研究介質(zhì)球配比對能量轉(zhuǎn)化率的影響，進(jìn)而得到合理的介質(zhì)球配比方案。通過仿真得到螺旋攪拌器的轉(zhuǎn)矩值見表2。

表2　攪拌器轉(zhuǎn)矩數(shù)值表

表3　攪拌器功率數(shù)值表

根據(jù)表3可知，單位時間內(nèi)在不同的介質(zhì)球配比下，功率值P對應(yīng)的介質(zhì)球和礦料的動能E見表4。

表4　介質(zhì)球和礦料的動能數(shù)值表

由表3和表4可以得到兩者之間的轉(zhuǎn)化率φ(見表5)。

表5　能量轉(zhuǎn)化率數(shù)值表

根據(jù)表2～表5數(shù)據(jù)，做出介質(zhì)球配比與攪拌器轉(zhuǎn)矩、攪拌器功率、介質(zhì)球和礦料動能以及能量轉(zhuǎn)化率的直方圖如圖1所示。

圖1　介質(zhì)配比與轉(zhuǎn)化率、動能、轉(zhuǎn)矩以及功率的關(guān)系

由圖1可得，當(dāng)介質(zhì)球配比為1∶1時，攪拌器的轉(zhuǎn)矩和功率、介質(zhì)球和礦料的動能以及轉(zhuǎn)化率都達(dá)到較佳情況，因此，在介質(zhì)球配比為1∶1時球磨機(jī)的粉磨效果最佳。

2.2磨機(jī)內(nèi)介質(zhì)球運(yùn)動分析

通過上述數(shù)據(jù)分析，選擇填充率為0.6，轉(zhuǎn)速為270 r/min，螺距為67 mm，介質(zhì)配比為φ10∶φ8=1∶1的介質(zhì)球進(jìn)行運(yùn)動分析。

2.2.1磨機(jī)內(nèi)介質(zhì)球的運(yùn)動

通過仿真得到整體的速度矢量圖如圖2所示。

圖2　速度矢量圖

根據(jù)圖2可知，在螺旋攪拌器的帶動下，介質(zhì)球和礦料的速度值為0.1≤v≤1.0 m/s，在螺旋攪拌器上表面周圍的速度較高，說明了這個區(qū)域的介質(zhì)球和礦料獲得的動能較大，磨礦效果明顯；而筒底的速度很小，只通過介質(zhì)球擠壓來進(jìn)行礦料的粉磨，因此效果不佳，但可以通過調(diào)節(jié)研磨罐與螺旋攪拌器的相對位置來提高平均動能。

2.2.2磨機(jī)內(nèi)介質(zhì)球和礦料能量的分析

介質(zhì)球和礦料的動能-時間關(guān)系圖如圖3所示。

圖3　動能-時間關(guān)系圖

由圖3可知，在開始時給予介質(zhì)球和礦料-5 m/s的初始速度，在介質(zhì)球和礦料快速到達(dá)筒底并堆積時，動能急劇增大，進(jìn)而在0～0.5 s內(nèi)，介質(zhì)球和礦料的動能先急劇增加，然后急劇減少。在顆粒產(chǎn)生完成并堆積到筒體內(nèi)部時動能為0[4]。在0.5 s時，螺旋攪拌器開始旋轉(zhuǎn)，動能增加；在0.6～3 s時，系統(tǒng)動能到達(dá)一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，整個穩(wěn)定狀態(tài)的平均動能E約為3.259×10-5J。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)設(shè)備和礦料

本試驗(yàn)使用的設(shè)備為研磨罐體積為3 L的立式攪拌球磨機(jī)，轉(zhuǎn)速為40～500 r/min，可變頻調(diào)速；電子稱1臺；大小為28、32和200目的手動標(biāo)準(zhǔn)篩；直徑分別為10和8 mm的2種介質(zhì)球。所研磨礦料為某鉑金含量為3 g/t的鉑鈀礦粒(莫氏硬度為7，密度為4 120 g/cm3)。

3.2介質(zhì)球配比對粉磨礦料粒度的影響

本試驗(yàn)介質(zhì)球配比按照質(zhì)量比分別為1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1等5種情況，攪拌器轉(zhuǎn)速為270 r/min，填充率φ=60%，介質(zhì)球與礦料的質(zhì)量5∶1。每次粉磨時間為30 min。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見表6。

表6　試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)表

從表6中可以看出，當(dāng)只有單介質(zhì)時，-200目磨粒的產(chǎn)量都比較低；當(dāng)2種介質(zhì)球質(zhì)量比為1∶1時，得到-200目的質(zhì)量最多[5]。

4結(jié)語

對于該立式攪拌球磨機(jī)，當(dāng)2種介質(zhì)球的質(zhì)量比m10∶m8=1∶1時，其研磨效果最好，螺旋攪拌器的能量轉(zhuǎn)化率最大，對礦料的研磨效果最好。由磨機(jī)粉磨鉑鈀礦的試驗(yàn)可知，當(dāng)介質(zhì)球質(zhì)量配比為1∶1時，-200目磨粒的產(chǎn)量達(dá)到最大，驗(yàn)證了理論與仿真結(jié)果的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張國旺.立式攪拌球磨機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用[J].金屬礦山,1998(9):36-38.

[2] 夏恩品,董為民,應(yīng)靈靈.影響球磨機(jī)介質(zhì)運(yùn)動規(guī)律主要因素的試驗(yàn)研究[J].礦山機(jī)械，2009(19)：60-63.

[3] 夏恩品,等.球磨機(jī)磨礦介質(zhì)配比的試驗(yàn)研究[J].礦山機(jī)械，2010(1):82-85.

[4] 唐果寧，岳文輝，陳平.離心磨礦機(jī)分批產(chǎn)品粒度分布模型研究[J].礦山機(jī)械,2002(4):23-24.

[5] 張國旺，等.立式螺旋攪拌球磨機(jī)在鐵精礦再磨中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2010(5):93-95.

責(zé)任編輯鄭練

The Simulation and Experiment of the Vertical Stirring Ball Mill Optimal Parameter

XU Weiwei, WEI Jingtao, YANG Jie, LI Ailing

(Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Abstract：Element simulation technology is introduced to the simulation research on the vertical stirring ball mill. In order to explore the influence of the medium-ball mix proportion to the -200 mesh ore grain production, obtain the influence of the different medium-ball mixing proportion to the effect of energy transformation ration. The medium-ball movement in the mill is simulated by the EDEM, the energy change and speed change of the medium-ball and the material in different moment are obtained. The production of -200 mesh ore grain is got by the platinum-palladium ore grouping experiment. Compared with EDEM software simulation results， the correctness of the conclusion is validated， and the reference for the vertical stirring ball mill optimal parameter is provided．

Key words:vertical stirring ball mill, distinct element method, medium-ball, fine grinding

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：許維維(1991-)，男，碩士研究生，主要從事立式攪拌球磨機(jī)等方面的研究。

中圖分類號：TD 453

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A