羅迎九，涂福泉，吳維崧，劉校端

武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430081

磷 礦是我國(guó)重要的產(chǎn)業(yè)原料，在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位。我國(guó)的磷礦資源豐富，但是風(fēng)化程度高、雜質(zhì)含量高，為了提高磷礦的品質(zhì)和資源利用的可持續(xù)發(fā)展，研究人員多考慮在破碎、重選、磁選和浮選作業(yè)之前增設(shè)洗礦工藝[1]。洗礦是指除去礦石中黏土質(zhì)物料，用于消除礦泥對(duì)這些作業(yè)的影響和危害，從而達(dá)到提高作業(yè)效率、獲得良好選礦指標(biāo)的目的。因此，洗礦機(jī)成為磷礦精煉處理工藝中不可或缺的洗選設(shè)備，能夠?qū)ΦV石進(jìn)行有效的清洗和分選，移除礦石中的泥質(zhì)物料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)液固分離，從而大幅提高洗選效果和磷礦的品位。槽式雙軸螺旋洗礦機(jī)因其生產(chǎn)效率高、能耗低、占地面積小、成本低，在礦石粉狀物料的洗凈和分選中具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用。然而，目前某礦山所使用的 2200×8400槽式雙軸螺旋洗礦機(jī)卻存在一些問(wèn)題。該設(shè)備采用的是單一結(jié)構(gòu)的 27 對(duì)螺旋葉片，無(wú)法滿足生產(chǎn)對(duì)洗礦機(jī)處理能力的要求。實(shí)際使用中，其處理能力僅為60～70 t/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生產(chǎn)所需的 140 t/h，是磷礦洗選生產(chǎn)的瓶頸。

大量研究表明，螺旋軸轉(zhuǎn)速對(duì)雙軸螺旋結(jié)構(gòu)的輸送效率有顯著影響，但是耗能變化大[2-5]。張恒宇等人[6]通過(guò)搭建 DEM 數(shù)值仿真試驗(yàn)臺(tái)，總結(jié)了軸距和螺距對(duì)雙軸螺旋結(jié)構(gòu)輸送顆粒質(zhì)量流速率的影響：螺距較小時(shí)，顆粒單位時(shí)間質(zhì)量流速率隨著軸距的增大而增大；螺距較大時(shí)，單位時(shí)間質(zhì)量流速率隨著螺距的增大先增大，后保持穩(wěn)定或者略有下降。該研究為雙軸螺旋輸送機(jī)的軸距和螺距設(shè)計(jì)提供了參考參數(shù)，但是并沒(méi)有對(duì)比葉片結(jié)構(gòu)形式對(duì)顆粒質(zhì)量流率的影響。Sun 等人[7]利用 DEM 研究了螺旋葉片軸向傾角對(duì)螺旋輸送機(jī)性能的影響，顆粒質(zhì)量流速率隨軸向傾角的變化具有一致性。Lian 等人[8]討論了不同條件下混合進(jìn)料過(guò)程中的連續(xù)性、均勻性和穩(wěn)定性。螺旋葉片是影響洗礦機(jī)洗礦質(zhì)量和產(chǎn)量的核心部件，目前對(duì)螺旋葉片的研究嚴(yán)重匱乏[9-11]。為了提高洗礦機(jī)的洗選效率，滿足生產(chǎn)需求，筆者以螺旋葉片的結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬分析方法，考慮物料流動(dòng)、泥質(zhì)堆積、液固分離等因素，探討不同葉片形狀、數(shù)量和布置方式對(duì)洗礦機(jī)處理能力和洗選效果的影響，以期對(duì)實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)有所幫助。

1 雙軸螺旋洗礦機(jī)工作原理

1.1 雙軸螺旋洗礦機(jī)結(jié)構(gòu)

雙軸螺旋洗礦機(jī)主要由傳動(dòng)裝置、螺旋葉片軸和洗槽體組成。傳動(dòng)裝置主要由齒輪罩、齒輪副、減速機(jī)、帶輪、電動(dòng)機(jī)等組成，如圖1 所示。電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶輪與減速機(jī)相連，減速機(jī)輸出軸與齒輪副相連接，其作用是帶動(dòng)螺旋葉片軸旋轉(zhuǎn)，保證螺旋葉片軸穩(wěn)定運(yùn)行。螺旋葉片軸是洗礦機(jī)的核心部件，主要由尾部軸承、葉片、螺旋軸、齒輪組成，如圖2 所示。螺旋軸包括左螺旋和右螺旋各一，2 個(gè)螺旋軸葉片安裝相位角為 45°。雙軸設(shè)計(jì)可以使洗礦機(jī)更加高效地?cái)嚢韬颓逑吹V石，并且雙軸螺旋的葉片相互螺旋排列，能夠增加礦石與水的接觸面積，提高洗選效果。洗槽體是螺旋葉片的工作環(huán)境，通常由鋼板焊接而成，如圖3 所示。洗槽體與地面的安裝傾角一般為 14°，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。傾斜的安裝角度有助于延長(zhǎng)洗礦時(shí)間，提高洗礦質(zhì)量。洗槽體內(nèi)溢流端通常安裝有可調(diào)節(jié)的調(diào)整板，通過(guò)調(diào)整板的位置可以調(diào)整洗礦面積，進(jìn)一步控制洗礦效果。

圖1 傳動(dòng)裝置Fig.1 Drive device

圖2 螺旋葉片軸Fig.2 Screw blade shaft

圖3 洗槽體Fig.3 Ore washing trough body

1.2 洗礦原理

電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)三角帶、傳動(dòng)減速機(jī)和大小齒輪的作用，驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)螺旋軸反向旋轉(zhuǎn)。經(jīng)簡(jiǎn)單的數(shù)值仿真模擬，兩螺旋軸內(nèi)旋的礦石產(chǎn)量遠(yuǎn)低于外旋，因此洗礦機(jī)兩螺旋軸為外旋。在洗礦機(jī)操作中，磷礦原礦石和礦泥通過(guò)葉片的搓揉和擦洗進(jìn)行分離和清潔。洗礦機(jī)的上端配備有高壓水沖洗裝置，用于破碎、分散礦泥，并將其與礦石顆粒分離，實(shí)現(xiàn)洗選目的。洗選過(guò)程中，洗出的細(xì)泥會(huì)通過(guò)安裝在槽體后部的溢流槽排出機(jī)外；經(jīng)過(guò)擦洗后的礦石會(huì)由旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片軸進(jìn)行輸送，并最終由槽體前端的排料端排出洗礦機(jī)。洗礦機(jī)能夠有效地進(jìn)行磷礦的洗選，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦石的清潔和分離，同時(shí)也有利于處理和排出擦洗過(guò)程中產(chǎn)生的礦泥。洗選作業(yè)有助于提高磷礦的品質(zhì)，并確保資源的可持續(xù)利用。

2 模型建立

2.1 JKR 模型

磷礦顆粒之間、磷礦顆粒和螺旋葉片之間，以及磷礦顆粒和洗槽之間存在黏附作用，Hertz-Mindlin 接觸模型不能夠完整分析磷礦顆粒洗礦過(guò)程中的整個(gè)力學(xué)特性，而 Hertz-Mindlin with JKR 接觸模型適用于礦石、土壤和粉狀等含濕顆粒，能夠較好地模擬顆粒之間由于靜電力和含水率的影響[12]。因此，為保障仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和節(jié)約計(jì)算資源，在 EDEM 中采用JKR 模型研究螺旋葉片的結(jié)構(gòu)對(duì)洗礦機(jī)產(chǎn)量的影響。在 JKR 模型中，顆粒之間的法向彈性接觸力計(jì)算基于顆粒與顆粒間的法向重疊量、相互作用參數(shù)和顆粒表面能，如式(1)、(2)所示。磷礦顆粒之間的表面能量值設(shè)定為 12 J/m2，磷礦顆粒與壁面之間表面能量值設(shè)定為 2 J/m2。

式中：FJKR為法向彈性接觸力，N；γ為液體表面張力，N/m；E為等效彈性模量，P a；α為切向重疊量，m；R為等效接觸半徑，m；δ為重疊量，m。

2.2 產(chǎn)量計(jì)算模型

洗礦機(jī)的生產(chǎn)能力取決于多個(gè)因素。其中，一個(gè)重要因素是螺旋葉片的尺寸和轉(zhuǎn)速，它們會(huì)影響洗礦機(jī)的運(yùn)輸能力[13-15]。運(yùn)輸能力與螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)圓直徑及轉(zhuǎn)速有關(guān)。物料的密度也會(huì)對(duì)生產(chǎn)能力產(chǎn)生影響，密度越大，運(yùn)輸能力越強(qiáng)。另外，洗礦機(jī)的生產(chǎn)能力還與物料中的泥質(zhì)含量、產(chǎn)品的泥質(zhì)含量以及安裝角度等因素有關(guān)。綜合考慮這些因素，選擇合適的轉(zhuǎn)速、傾斜角和螺距等參數(shù)是提高洗礦機(jī)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。因此，在設(shè)計(jì)洗礦機(jī)時(shí)，需要綜合考慮上述因素，以確保最佳的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。螺旋洗礦的產(chǎn)量

式中：m為螺旋軸數(shù)；D為螺旋直徑；β0為傾斜槽斜度影響系數(shù)；?為填充系數(shù)；S0為螺旋導(dǎo)程；n為螺旋轉(zhuǎn)速；ρ為礦石密度。

2.3 三維建模

螺旋葉片的設(shè)計(jì)機(jī)理為：螺旋葉片與軸中心構(gòu)成傾角，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生推動(dòng)力，使磷礦顆粒沿螺旋軸縱向向上移動(dòng)。為達(dá)到交叉地連續(xù)推動(dòng)礦石，其傾斜角度應(yīng)與螺旋導(dǎo)程相適應(yīng)，一般在 55°～70°范圍內(nèi)選取。某礦山使用的洗礦機(jī)螺旋葉片如圖4 所示，運(yùn)用 SolidWorks 軟件對(duì)螺旋葉片簡(jiǎn)化建模，結(jié)果如圖5(a)所示。作為對(duì)比，設(shè)計(jì)了另外 2 種葉片，一種是螺旋軸采用塊狀葉片和連續(xù)型螺旋狀葉片搭配組合，其中單軸 16 對(duì)塊狀葉片，10 對(duì)螺旋狀葉片，如圖5(b)所示；另一種螺旋軸采用 26 對(duì)螺旋狀葉片，如圖5(c)所示。采用 3 種不同結(jié)構(gòu)螺旋葉片的洗礦機(jī)分別為洗礦機(jī) A、B、C。為研究葉片結(jié)構(gòu)對(duì)洗礦機(jī)生產(chǎn)效率的影響，所有仿真方案設(shè)定槽體傾角為 14°，轉(zhuǎn)速為 19 r/min，葉片安裝角為 63.5°，螺旋葉片軸安裝相位角為 45°。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)使用的螺旋葉片F(xiàn)ig.4 Screw blades used on site

圖5 不同的葉片結(jié)構(gòu)Fig.5 Structures of different blades

2.4 磷礦顆粒模型及參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)磷礦石采樣分析和查閱資料，磷礦石顆粒半徑在 10～28 mm，為保障仿真結(jié)果的真實(shí)有效，運(yùn)用 SolidWorks 軟件對(duì)礦石顆粒建模，然后將模型導(dǎo)入 EDEM 軟件中，采用 4 個(gè)球形顆粒填充，如圖6 所示。磷礦石和洗礦機(jī)材料參數(shù)如表1 所列。

圖6 磷礦石顆粒及模型Fig.6 Particles and model of phosphate ore

3 仿真結(jié)果分析

螺旋葉片洗礦機(jī) EDEM 仿真過(guò)程如圖7 所示，可以很直觀地看出，磷礦顆粒進(jìn)料口和出料口的位置。在出料口添加求解域，用來(lái)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)礦石顆粒的質(zhì)量，時(shí)間間隔為 0.05 s。

圖7 仿真過(guò)程Fig.7 Simulation process

3.1 葉片結(jié)構(gòu)對(duì)洗礦產(chǎn)量的影響

將 3 種結(jié)構(gòu)葉片的洗礦機(jī)達(dá)到穩(wěn)定連續(xù)出礦狀態(tài)后，再取 10 s 的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Origin 中擬合曲線，如圖8 所示。由圖8(a)可以看出，單位時(shí)間內(nèi)洗礦機(jī) C產(chǎn)量最高；由圖8(b)分析可知，洗礦機(jī) A 運(yùn)行穩(wěn)定后的出礦速率為 16.1 k g/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到礦山對(duì)洗礦機(jī)設(shè)計(jì)能力要求的 38.89 kg/s；洗礦機(jī) C 相較于 A，洗礦效率提升了 148.45%，但是洗礦時(shí)間遠(yuǎn)達(dá)不到要求；洗礦機(jī) B 單位時(shí)間礦產(chǎn)量為 23.7 kg/s，相較于 A 洗礦效率提升了 47.2%，相較于 C 降低了 68.8%，但是洗礦機(jī) B 可以使洗礦時(shí)間得到保障。由此說(shuō)明，提高洗礦效率的同時(shí)很難保障洗礦時(shí)間，增加螺旋狀葉片的長(zhǎng)度可以提高洗礦效率，但是洗礦時(shí)間得不到保障，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)和排布以增加洗礦時(shí)間。

圖8 洗礦產(chǎn)量Fig.8 Quantity of ore washing

3.2 葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在某礦山實(shí)地觀察洗礦機(jī)的使用情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以把整個(gè)洗礦的過(guò)程劃分 3 個(gè)區(qū)域：主要擦洗區(qū)、過(guò)渡區(qū)和運(yùn)輸區(qū)。因此，對(duì)應(yīng)不同區(qū)域，分別設(shè)計(jì) 3段不同結(jié)構(gòu)的葉片，如圖9 所示。新設(shè)計(jì)的洗礦機(jī) D主要擦洗區(qū)長(zhǎng) 4 000 mm，單軸塊狀葉片 14 對(duì)；過(guò)渡區(qū)長(zhǎng) 2 500 mm，單軸塊狀葉片 9 對(duì)；運(yùn)輸區(qū)長(zhǎng) 1 620 mm，單軸螺旋狀葉片 5 對(duì)。對(duì)洗礦機(jī) A～D 進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10 所示。由圖10(a)可知，洗礦機(jī) D 單位時(shí)間出礦量相較于洗礦機(jī) C 略有下降；由圖10(b)可知，穩(wěn)定運(yùn)行后，洗礦機(jī) D 產(chǎn)量為 34.01 kg/s，相較于洗礦機(jī) A 產(chǎn)量提高了 111.24%，相較于洗礦機(jī)C 產(chǎn)量下降了 14.96%，相較于洗礦機(jī) B 產(chǎn)量提高了43.45%；由圖10(c)、(d)可知，洗礦機(jī) D 的洗礦時(shí)間和顆粒間碰撞摩擦次數(shù)與洗礦機(jī) A 接近，符合洗礦質(zhì)量要求。仿真結(jié)果表明，洗礦機(jī) D 的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理。

圖9 洗礦機(jī) D 螺旋葉片軸Fig.9 Screw blade shaft of washer D

圖10 洗礦情況Fig.10 Ore washing situation

4 結(jié)論

(1)在螺旋軸轉(zhuǎn)速和槽體與地面安裝傾斜角度一定的情況下，增加連續(xù)螺旋狀葉片結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，可以有效提高洗礦機(jī)的生產(chǎn)效率，但是很難保障洗礦時(shí)間和洗礦質(zhì)量。

(2)將螺旋軸分為 4 000、2 500、1 620 mm 3 段，分別對(duì)應(yīng)主要擦洗區(qū)、過(guò)渡區(qū)和運(yùn)輸區(qū)，設(shè)計(jì) 3 種不同結(jié)構(gòu)葉片的洗礦機(jī)最為合理，單位時(shí)間內(nèi)的礦產(chǎn)量相較于現(xiàn)使用的洗礦機(jī)提升了 111.24%。