立式攪拌球磨機最優化參數的仿真與試驗

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化參數的仿真與試驗

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，旨在探索介質球配比對-200目礦粒產量的影響，得出介質球的不同配合比例對能量轉化率的影響。應用EDEM軟件對磨機內介質球的運動情況進行了仿真，得到了介質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優化提供了參考依據。

關鍵詞：立式攪拌球磨機；離散元法；介質球；細磨

立式攪拌球磨機又叫塔磨機，現已被廣泛地應用于涂料、化工、醫藥和冶金等諸多領域。在礦物的粉磨領域中，其與常規的普通臥式球磨機相比，具有粉磨效率高、產品粒度細、顆粒均勻和節約球磨介質(較臥式球磨機節約磨球20%～30%)等優點[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、立式攪拌球磨機的機械結構部分以及運行參數、介質球、助磨劑以及磨礦環境體系。本文主要通過對介質球的配比進行研究優化，為實際生產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

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，螺旋外經為77 mm，計算得螺旋升角為26.8°[2]。

1.3介質球的配比

在長期的實際生產中，總結出了如下幾種介質配比方法[3]：給料粒度組成相關法、等比重法、質量直徑比法和等表面積法等。設介質球的密度相同且為ρ，混合礦料分成A、B等2個窄級別，質量百分含量分別為p1、p2。對應于窄級別A、B的2種最佳尺寸介質球數分別為N1、N2；介質球直徑分別為d1、d2；質量分別為m1、m2。

1)給料粒度組成相關法的計算公式如下：

(1)

(2)

聯立式1和式2，得：

(3)

2)等比重法的計算公式如下：

(4)

3)質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)

通過對介質球大小的研究，本文采用直徑為10和8 mm的2種介質球的質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速為270 r/min，磨球的平均孔隙率為0.38，介質密集率為0.62，填充率為60%，介質球以及礦料的質量見表1。

表1　不同配比介質球和礦料的質量

2介質球配比的磨礦仿真分析

2.1介質球配比對能量轉化率的影響

不同的介質球配比使介質球和礦料在轉速為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球及礦料的動能值，研究介質球配比對能量轉化率的影響，進而得到合理的介質球配比方案。通過仿真得到螺旋攪拌器的轉矩值見表2。

表2　攪拌器轉矩數值表

表3　攪拌器功率數值表

根據表3可知，單位時間內在不同的介質球配比下，功率值P對應的介質球和礦料的動能E見表4。

表4　介質球和礦料的動能數值表

由表3和表4可以得到兩者之間的轉化率φ(見表5)。

表5　能量轉化率數值表

根據表2～表5數據，做出介質球配比與攪拌器轉矩、攪拌器功率、介質球和礦料動能以及能量轉化率的直方圖如圖1所示。

圖1　介質配比與轉化率、動能、轉矩以及功率的關系

由圖1可得，當介質球配比為1∶1時，攪拌器的轉矩和功率、介質球和礦料的動能以及轉化率都達到較佳情況，因此，在介質球配比為1∶1時球磨機的粉磨效果最佳。

2.2磨機內介質球運動分析

通過上述數據分析，選擇填充率為0.6，轉速為270 r/min，螺距為67 mm，介質配比為φ10∶φ8=1∶1的介質球進行運動分析。

2.2.1磨機內介質球的運動

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

根據圖2可知，在螺旋攪拌器的帶動下，介質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，說明了這個區域的介質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，只通過介質球擠壓來進行礦料的粉磨，因此效果不佳，但可以通過調節研磨罐與螺旋攪拌器的相對位置來提高平均動能。

2.2.2磨機內介質球和礦料能量的分析

介質球和礦料的動能-時間關系圖如圖3所示。

圖3　動能-時間關系圖

由圖3可知，在開始時給予介質球和礦料-5 m/s的初始速度，在介質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，介質球和礦料的動能先急劇增加，然后急劇減少。在顆粒產生完成并堆積到筒體內部時動能為0[4]。在0.5 s時，螺旋攪拌器開始旋轉，動能增加；在0.6～3 s時，系統動能到達一個相對穩定的狀態，整個穩定狀態的平均動能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，轉速為40～500 r/min，可變頻調速；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介質球配比對粉磨礦料粒度的影響

本試驗介質球配比按照質量比分別為1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1等5種情況，攪拌器轉速為270 r/min，填充率φ=60%，介質球與礦料的質量5∶1。每次粉磨時間為30 min。試驗所得數據見表6。

表6　試驗所得數據表

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

4結語

對于該立式攪拌球磨機，當2種介質球的質量比m10∶m8=1∶1時，其研磨效果最好，螺旋攪拌器的能量轉化率最大，對礦料的研磨效果最好。由磨機粉磨鉑鈀礦的試驗可知，當介質球質量配比為1∶1時，-200目磨粒的產量達到最大，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.影響球磨機介質運動規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