海泡石螺旋攪拌磨機最優工藝參數研究

徐長鋒，周友行,2，肖加其，何東柯，趙 玉

（1.湘潭大學機械工程學院，湖南 湘潭 411105；2.復雜軌跡加工工藝及裝備教育部工程研究中心，湖南 湘潭 411105）

海泡石是一種具有層鏈狀結構的非金屬脆性礦石，具有獨特的纖維狀晶體結構［1］。海泡石礦粉具有吸附性強、比表面積大、表面活性高等特點，其廣泛應用于工業、農業、國防和航空航天等領域［2］。

攪拌磨機是制備海泡石礦粉的主要設備。在實踐中發現，在海泡石研磨過程中當海泡石礦粉粒徑逐漸減小至微米級時易產生團聚體，會阻礙礦粉粒徑進一步減小，影響礦粉質量。在減小礦粉粒徑并尋找最佳工藝參數等方面，國內外學者進行了廣泛研究。如：肖正明等通過磨塔機磨礦試驗發現，轉速越高，則研磨效率越高，最優填充率為60%［3］；黃胤淇選取不同的攪拌器轉速、磨礦時間和磨礦濃度進行試驗，得到了最優的工藝參數［4］；朱春輝對單腔和雙腔體磨機內的介質球進行模擬研究，發現雙腔體磨機內介質球的速度梯度較大，更有利于研磨［5］；Prziwar等通過磨礦實驗發現，中、高填充率有助于提高磨礦效率，助磨劑有益于提高磨削性能和顆粒間的固粒性，從而提高礦粉的流動性［6］；Okay等研究了工藝參數對磨礦效率的影響，研究表明，攪拌速度、介質尺寸與介質填充量成正比，進料速率與比能耗成反比［7］；Rocha等研究發現，當磨機以較高的攪拌速度運行和采用較小的研磨介質時，可以獲得較小的礦粉粒徑［8］。

上述研究通過工藝參數的調整減小了礦粉粒徑，但還是很難避免在磨礦過程中礦粉團聚現象阻礙礦粉粒徑及其分布寬度進一步減小的問題。近年來對層壓破碎理論的研究也表明：當礦石物料處于足夠小的研磨空間時，礦石物料會相互擠壓，理論上可以進一步減小礦粉粒徑并減緩在研磨過程中礦粉團聚體的產生，減小粒徑分布寬度，最終提高礦石破碎效果［9］。

本文以海泡石為研究對象，基于層壓破碎理論和攪拌磨機的工作原理研制一款螺旋攪拌磨機。采用工程離散元法（engineering discrete element method，EDEM）對海泡石研磨過程進行仿真分析，并利用自行研制的實驗樣機進行磨礦實驗，對研磨后海泡石礦粉的粒徑進行檢測，以驗證海泡石研磨仿真的正確性和合理性。

1 基于層壓破碎理論的海泡石螺旋攪拌磨機的設計及工作原理分析

1.1 層壓破碎理論

層壓破碎指礦石物料在研磨室中呈多層分布的擠壓破碎。礦石物料在研磨過程中不僅受到攪拌器和外筒的擠壓作用，礦石物料之間也會發生擠壓碰撞［10］。層壓破碎如圖1所示。

圖1 層壓破碎示意Fig.1 Schematic of laminated crushing

1.2 海泡石螺旋攪拌磨機的設計

設計的海泡石螺旋攪拌磨機的結構如圖2所示。其主要由外筒、攪拌器、篩網、收集箱和傳動裝置等組成。創新設計之處在于將攪拌器設計成帶有錐度和凹槽的螺旋錐體，使研磨室的直徑從上至下依次遞減。

圖2 海泡石螺旋攪拌磨機的結構Fig.2 Structure of sepiolite spiral stirring mill

1.3 海泡石螺旋攪拌磨機的工作原理

海泡石礦石顆粒和介質球在攪拌器的帶動下落入下部研磨區，礦石顆粒不僅受到攪拌器和外筒的擠壓作用，同時受到介質球的沖擊、摩擦和剪切作用。海泡石破碎后達到粒度要求的礦粉通過篩網落入收集箱，未達到粒度要求的礦石顆粒繼續被研磨，直至全部通過篩網進入收集箱。

2 基于EDEM的海泡石研磨仿真

EDEM是一種研究非連續介質問題的數值模擬方法。它將研究對象劃分為一個個相互獨立的單元，根據牛頓運動定律，采用動態松弛法迭代計算單元之間的相互作用，確定在每一時間步長所有單元的受力及位移，由此來模擬顆粒之間的微觀運動［11］。通過設置黏結參數將許多小顆粒粘結成一個大顆粒團聚體，從而形成黏結模型。這種模型可以有效阻止切向和法向的相對運動，當顆粒受到的外力超過最大法向和切向應力時，顆粒間的黏結鍵就會被破壞。此模型已經廣泛應用于巖石的破碎仿真研究［12］。

2.1 仿真模型的構建

2.1.1 顆粒模型

構建顆粒模型時須設置材料屬性參數，如密度、泊松比和剪切模量。海泡石和介質球的材料屬性參數如表1所示。

表1 海泡石和介質球的材料屬性參數Table 1 Material property parameters of sepiolite and dielectric sphere

為了減少計算時間，提高仿真效率，仿真中用球形顆粒代替海泡石顆粒；介質球為鋼球，也將其設置成球形顆粒。海泡石和介質球的仿真模型如圖3所示。

圖3 海泡石和介質球的仿真模型Fig.3 Simulation model of sepiolite and dielectric sphere

2.1.2 材料間相互作用參數

在仿真中材料間相互作用參數包括恢復系數、靜摩擦系數和滾動摩擦系數［13］，具體如表2所示。

表2 材料間相互作用參數Table 2 Parameters of interaction between materials

2.1.3 螺旋攪拌磨機仿真模型

將螺旋攪拌磨機的模型進行簡化，保留頂蓋、攪拌器、外筒、篩網和收集箱，并將構建的三維模型導入EDEM軟件。螺旋攪拌磨機的仿真模型如圖4所示。

圖4 螺旋攪拌磨機的仿真模型Fig.4 Simulation model of sepiolite spiral stirred mill

2.2 仿真結果的分析

利用EDEM軟件對海泡石研磨過程進行仿真分析，研究介質球在研磨腔的運動規律，分析工藝參數對海泡石研磨效果的影響。以介質球的速度梯度（即短時間內的速度波動）、旋轉動能和攪拌磨機的磨損量為評價指標，來求得最佳工藝參數。

攪拌磨機的轉速一般為300～800r/min。轉速越高，則旋轉動能越大，隨之消耗的能量也越大，腔體升溫加快，易對粉體造成污染［14］。若介質球直徑太小，則不易產生足夠大的旋轉動能來破碎礦石物料；介質球越大，則與礦石物料的接觸面越小，會使其破碎效果變差。

設計的研磨腔是一個錐形空間，且與攪拌器和外筒內壁的間距較小。太大的介質球不能在該研磨腔中運動，因此選用直徑為2～4 mm的介質球。設置攪拌磨機的轉速為300～500 r/min，仿真時間為5 s，進行海泡石研磨仿真。

2.2.1 不同轉速下介質球的速度

由海泡石破碎機理可知，在一個小的研磨區域內，介質球的速度梯度越大，其對海泡石的剪切和碰撞作用越明顯，破碎效果越好，破碎效率越高［15-16］。不同轉速下介質球的速度如圖5所示。

由圖5可知：在不同轉速下介質球的速度變化趨勢一致，先急劇增大，接著有一個微小的回落，然后繼續增大到最大值，最后緩慢下降至伴有微小波動的固定值。當轉速為300 r/min時，介質球的速度梯度最大；當轉速為500 r/min時，介質球的速度梯度最小。也就是說，隨著轉速的提高，介質球的速度梯度不斷減小。介質球的速度梯度越大，則碰撞力和剪切力越大，從而使得破碎效果越好。

圖5 不同轉速下介質球的速度Fig.5 Velocity of dielectric sphere at different rotating speeds

2.2.2 不同轉速下介質球的速度場

t=5 s時不同轉速下介質球的速度場如圖6所示。

由圖6可知：隨著轉速的提高，介質球的高速度場逐漸向研磨區的中部移動，研磨區底部的高速度場區域逐漸減少，這不利于在底部研磨區的磨礦。因此，應選用較低的轉速以獲得較為均勻的介質球速度場，使得磨礦效率較高。

圖6 不同轉速下介質球的速度場（t=5 s）Fig.6 Velocity field of dielectric sphere at different rotating speeds（t=5 s）

2.2.3 不同轉速下介質球的旋轉動能

攪拌磨機研磨礦石物料時，物料的破壞程度隨著介質球旋轉動能的增大而增大［17］。在不同轉速下介質球的旋轉動能如圖7所示。

由圖7可知：介質球的旋轉動能隨著轉速的提高而增大；在0—0.7 s時介質球的旋轉動能迅速增大，隨后出現波動，轉速越高波動幅度越大；當轉速為300 r/min時，介質球的旋轉動能在0.12 J上下波動；當轉速為400，500 r/min時，介質球的旋轉動能波動較大，攪拌磨機處于不穩定運行狀態。因此，應選用較低的轉速以保證機器穩定運行。

圖7 不同轉速下介質球的旋轉動能Fig.7 Rotational kinetic energy of dielectric sphere at different rotating speeds

2.2.4 同種轉速下不同直徑介質球的速度

當轉速為300 r/min時，不同直徑介質球的速度如圖8所示。

由圖8可知：不同直徑介質球的速度變化趨勢大體一致，先急劇增大，接著有一個微小的回落，然后繼續增加到最大值，最后緩慢下降至伴有微小波動的固定值；隨著介質球直徑的增大，其速度梯度減小，直徑為2 mm的介質球的速度梯度最大，即其形成的碰撞力和剪切力最大，可以增強對礦石物料的破碎。

圖8 轉速為300 r/min時不同直徑介質球的速度Fig.8 Velocity of dielectric sphere with different diameters at rotating speed of 300 r/min

2.2.5 同種轉速下不同直徑介質球的旋轉動能

當轉速為300 r/min時，不同直徑介質球的旋轉動能如圖9所示。

由圖9可知：不同直徑介質球旋轉動能的變化趨勢不一致，其波動幅度和峰值均不同；在攪拌器的旋轉帶動下，介質球的旋轉動能隨著球直徑的增大而增大，同時其波動的幅度也越來越大，攪拌磨機處于不穩定運行狀態。因此，攪拌磨機作業時，應選用直徑較小的介質球。

圖9 轉速為300 r/min時不同直徑介質球的旋轉動能Fig.9 Rotational kinetic energy of dielectric sphere with different diameters at rotating speed of 300 r/min

通過上述仿真可知，介質球的速度梯度隨著磨機轉速和其直徑的增加大而減小；介質球的旋轉動能隨著磨機轉速和其直徑的增大而增大。但轉速越高，介質球旋轉動能的波動越大，不利于磨機的平穩運行。因此，應選用直徑較小的介質球和較低轉速。

2.2.6 攪拌磨機的磨損量

根據EDEM軟件的Archard Wear接觸模型，在顆粒與壁面接觸產生相對滑動的過程中，摩擦力做功越大，則顆粒對壁面的磨損越大。磨損量V可以表示為［18-19］：

式中：K為磨損系數；N為顆粒與壁面之間的摩擦力；L為顆粒的滑動距離；H為顆粒的硬度。

磨損主要發生在攪拌磨機的攪拌器外表面和外筒內壁。磨損不僅會降低攪拌磨機的使用壽命，而且會影響破碎效率和礦粉質量［20］。利用Archard Wear接觸模型，對攪拌器和外筒的磨損量進行分析。

不同轉速下攪拌器的磨損量如圖10所示。

圖10 不同轉速下攪拌器的磨損量Fig.10 Wear amount of agitator at different speeds

由圖10可知：攪拌器磨損量隨著轉速的提高而增大；當轉速為300 r/min時，下部兩螺旋槽之間區域的磨損量較大，螺旋槽的磨損量較小，攪拌器上方出現了零星的幾處磨損；當轉速為400 r/min時，下部兩螺旋槽之間的區域和螺旋槽的磨損量逐漸增大，攪拌器上方的螺旋凹槽也受到了磨損；當轉速提高到500 r/min時，攪拌器下部幾乎全部受到了磨損，攪拌器上方受到的磨損也在加劇，這會大大縮短攪拌器的使用壽命和影響礦粉質量。

利用后處理模塊Analyst中的切片工具將外筒對中剖開，觀察外筒內壁的磨損情況。外筒內壁的磨損量如圖11所示。

圖11 不同轉速下外筒內壁的磨損量Fig.11 Wear amount of inner wall of outer cylinder at different speeds

由圖11可知：隨著轉速提高，外筒下部內壁的磨損量明顯增大；當轉速為300 r/min時，外筒下部內壁磨損了4～6μm；當轉速為400 r/min時，外筒下部內壁的磨損量有所增加，磨損了6～8μm；當轉速提高至500 r/min時，磨損量繼續隨之增大。

通過對攪拌器和外筒內壁磨損量的仿真分析可知，磨機轉速的提高會導致攪拌器和外筒內壁磨損量的增大，這會影響磨機的使用壽命和礦粉質量。因此，在使用攪拌磨機磨礦時應選用低轉速。設計磨機時應選用耐磨材料作為外筒內壁內襯，同時攪拌器外表面須噴涂一層耐磨材料，以減少其磨損。

3 海泡石研磨實驗

通過海泡石研磨實驗來驗證仿真結果的正確性和合理性。

3.1 實驗設備

采用自行研制的螺旋攪拌磨機，如圖12所示。粒徑檢測儀器選用激光粒度分析儀，如圖13所示。輔助實驗設備有標準目篩、電子天平秤和電熱鼓風干燥箱。

圖12 螺旋攪拌磨機Fig.12 Spiral stirred mill

圖13 激光粒度分析儀Fig.13 Laser particle size analyzer

3.2 實驗方案

實驗所用物料為經顎式破碎機粗碎后的海泡石大顆粒，研磨介質球選用304不銹鋼。實驗前將海泡石大顆粒放置在干燥箱里進行烘干以去除其微量水分。工藝參數的設置與仿真分析時一致，即攪拌器轉速分別為300，400，500 r/min，介質球直徑分別為2，3，4 mm。每次實驗選用質量均為500 g的海泡石顆粒和介質球。將研磨后的海泡石礦粉用激光粒度分析儀進行粒徑檢測。

3.3 海泡石礦粉粒徑分析

研磨后海泡石礦粉的粒徑分布如圖14所示。

圖14 研磨后海泡石礦粉粒徑分布Fig.14 Particle size distribution of sepiolite ore powder after grinding

由14圖可知：在相同轉速下，礦粉粒徑及其分布寬度隨著介質球直徑的增大而增大，且這種趨勢隨著攪拌器轉速的提高而增大；當采用300 r/min轉速和2 mm直徑介質球時可以獲得粒徑及其分布寬度最小的礦粉，這與仿真中利用介質球的速度梯度、旋轉動能和攪拌磨機的磨損量作為磨礦效果評價指標得到的結論一致，此時礦粉粒徑為0.17～25.52μm。

4 結論

1）通過仿真和實驗可知，基于層壓破碎理論研制的螺旋攪拌磨機可以有效減少礦粉團聚體的產生，從而使礦粉粒徑及其分布寬度減小。

2）仿真中以介質球的速度梯度、旋轉動能和攪拌磨機的磨損量為磨礦效果的評價指標。仿真結果表明：介質球的速度梯度隨著磨機轉速和介質球直徑的增大而減小，介質球的旋轉動能隨著磨機轉速和介質球直徑的增大而增大，磨機的磨損量隨著磨機轉速的提高而增大。綜合而言，采用低轉速和小直徑介質球可獲得粒徑及其分布寬度更小的礦粉，此時磨機磨損量相對較小且運行穩定。海泡石研磨實驗結果與仿真結果一致。