立式攪拌球磨機最優(yōu)化參數(shù)的仿真與試驗

許維維，魏鏡弢，楊　杰，李愛玲

(昆明理工大學，云南 昆明 650093)

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立式攪拌球磨機最優(yōu)化參數(shù)的仿真與試驗

許維維，魏鏡弢，楊杰，李愛玲

(昆明理工大學，云南 昆明 650093)

摘要：引入離散元仿真技術對立式攪拌球磨機進行了仿真研究，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。應用EDEM軟件對磨機內(nèi)介質(zhì)球的運動情況進行了仿真，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。將鉑鈀礦進行了分組試驗，得到了-200目礦粒的產(chǎn)量，與EDEM軟件仿真的結果進行對比，驗證了結論的正確性，為立式攪拌球磨機的工作參數(shù)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：立式攪拌球磨機；離散元法；介質(zhì)球；細磨

立式攪拌球磨機又叫塔磨機，現(xiàn)已被廣泛地應用于涂料、化工、醫(yī)藥和冶金等諸多領域。在礦物的粉磨領域中，其與常規(guī)的普通臥式球磨機相比，具有粉磨效率高、產(chǎn)品粒度細、顆粒均勻和節(jié)約球磨介質(zhì)(較臥式球磨機節(jié)約磨球20%～30%)等優(yōu)點[1]。然而立式攪拌球磨機的磨礦效率主要受下述5個因素影響：礦料參數(shù)、立式攪拌球磨機的機械結構部分以及運行參數(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)球的配比進行研究優(yōu)化，為實際生產(chǎn)中立式攪拌球磨機的細磨效率、能耗等方面提供一些研究結論。

1立式攪拌球磨機的結構參數(shù)

1.1筒體

本文采用的立式攪拌球磨機的筒體容積為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

在長期的實際生產(chǎn)中，總結出了如下幾種介質(zhì)配比方法[3]：給料粒度組成相關法、等比重法、質(zhì)量直徑比法和等表面積法等。設介質(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)矩以及功率的關系

由圖1可得，當介質(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)化率都達到較佳情況，因此，在介質(zhì)球配比為1∶1時球磨機的粉磨效果最佳。

2.2磨機內(nèi)介質(zhì)球運動分析

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)球進行運動分析。

2.2.1磨機內(nèi)介質(zhì)球的運動

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-時間關系圖如圖3所示。

圖3　動能-時間關系圖

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)球和礦料快速到達筒底并堆積時，動能急劇增大，進而在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試驗驗證

3.1試驗設備和礦料

本試驗使用的設備為研磨罐體積為3 L的立式攪拌球磨機，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目的手動標準篩；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。試驗所得數(shù)據(jù)見表6。

表6　試驗所得數(shù)據(jù)表

從表6中可以看出，當只有單介質(zhì)時，-200目磨粒的產(chǎn)量都比較低；當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結語

對于該立式攪拌球磨機，當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。由磨機粉磨鉑鈀礦的試驗可知，當介質(zhì)球質(zhì)量配比為1∶1時，-200目磨粒的產(chǎn)量達到最大，驗證了理論與仿真結果的正確性。

參考文獻

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

[2] 夏恩品,董為民,應靈靈.影響球磨機介質(zhì)運動規(guī)律主要因素的試驗研究[J].礦山機械，2009(19)：60-63.

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

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

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

責任編輯鄭練

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等方面的研究。

中圖分類號：TD 453

文獻標志碼:A