槽式雙軸螺旋洗礦機葉片結構優化

羅迎九，涂福泉，吳維崧，劉校端

武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室 湖北武漢 430081

磷 礦是我國重要的產業原料，在我國的經濟發展中占據重要地位。我國的磷礦資源豐富，但是風化程度高、雜質含量高，為了提高磷礦的品質和資源利用的可持續發展，研究人員多考慮在破碎、重選、磁選和浮選作業之前增設洗礦工藝[1]。洗礦是指除去礦石中黏土質物料，用于消除礦泥對這些作業的影響和危害，從而達到提高作業效率、獲得良好選礦指標的目的。因此，洗礦機成為磷礦精煉處理工藝中不可或缺的洗選設備，能夠對礦石進行有效的清洗和分選，移除礦石中的泥質物料，同時實現液固分離，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因其生產效率高、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特優勢而被廣泛使用。然而，目前某礦山所使用的 2200×8400槽式雙軸螺旋洗礦機卻存在一些問題。該設備采用的是單一結構的 27 對螺旋葉片，無法滿足生產對洗礦機處理能力的要求。實際使用中，其處理能力僅為60～70 t/h，遠遠低于生產所需的 140 t/h，是磷礦洗選生產的瓶頸。

大量研究表明，螺旋軸轉速對雙軸螺旋結構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]通過搭建 DEM 數值仿真試驗臺，總結了軸距和螺距對雙軸螺旋結構輸送顆粒質量流速率的影響：螺距較小時，顆粒單位時間質量流速率隨著軸距的增大而增大；螺距較大時，單位時間質量流速率隨著螺距的增大先增大，后保持穩定或者略有下降。該研究為雙軸螺旋輸送機的軸距和螺距設計提供了參考參數，但是并沒有對比葉片結構形式對顆粒質量流率的影響。Sun 等人[7]利用 DEM 研究了螺旋葉片軸向傾角對螺旋輸送機性能的影響，顆粒質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料過程中的連續性、均勻性和穩定性。螺旋葉片是影響洗礦機洗礦質量和產量的核心部件，目前對螺旋葉片的研究嚴重匱乏[9-11]。為了提高洗礦機的洗選效率，滿足生產需求，筆者以螺旋葉片的結構為研究對象，采用數值模擬分析方法，考慮物料流動、泥質堆積、液固分離等因素，探討不同葉片形狀、數量和布置方式對洗礦機處理能力和洗選效果的影響，以期對實際生產作業有所幫助。

1 雙軸螺旋洗礦機工作原理

1.1 雙軸螺旋洗礦機結構

雙軸螺旋洗礦機主要由傳動裝置、螺旋葉片軸和洗槽體組成。傳動裝置主要由齒輪罩、齒輪副、減速機、帶輪、電動機等組成，如圖1 所示。電動機通過帶輪與減速機相連，減速機輸出軸與齒輪副相連接，其作用是帶動螺旋葉片軸旋轉，保證螺旋葉片軸穩定運行。螺旋葉片軸是洗礦機的核心部件，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 個螺旋軸葉片安裝相位角為 45°。雙軸設計可以使洗礦機更加高效地攪拌和清洗礦石，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°，可以根據需要進行調整。傾斜的安裝角度有助于延長洗礦時間，提高洗礦質量。洗槽體內溢流端通常安裝有可調節的調整板，通過調整板的位置可以調整洗礦面積，進一步控制洗礦效果。

圖1 傳動裝置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

電動機經過三角帶、傳動減速機和大小齒輪的作用，驅動 2 個螺旋軸反向旋轉。經簡單的數值仿真模擬，兩螺旋軸內旋的礦石產量遠低于外旋，因此洗礦機兩螺旋軸為外旋。在洗礦機操作中，磷礦原礦石和礦泥通過葉片的搓揉和擦洗進行分離和清潔。洗礦機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，實現洗選目的。洗選過程中，洗出的細泥會通過安裝在槽體后部的溢流槽排出機外；經過擦洗后的礦石會由旋轉的螺旋葉片軸進行輸送，并最終由槽體前端的排料端排出洗礦機。洗礦機能夠有效地進行磷礦的洗選，實現對礦石的清潔和分離，同時也有利于處理和排出擦洗過程中產生的礦泥。洗選作業有助于提高磷礦的品質，并確保資源的可持續利用。

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程中的整個力學特性，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，為保障仿真試驗的準確性和節約計算資源，在 EDEM 中采用JKR 模型研究螺旋葉片的結構對洗礦機產量的影響。在 JKR 模型中，顆粒之間的法向彈性接觸力計算基于顆粒與顆粒間的法向重疊量、相互作用參數和顆粒表面能，如式(1)、(2)所示。磷礦顆粒之間的表面能量值設定為 12 J/m2，磷礦顆粒與壁面之間表面能量值設定為 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 產量計算模型

洗礦機的生產能力取決于多個因素。其中，一個重要因素是螺旋葉片的尺寸和轉速，它們會影響洗礦機的運輸能力[13-15]。運輸能力與螺旋葉片轉動圓直徑及轉速有關。物料的密度也會對生產能力產生影響，密度越大，運輸能力越強。另外，洗礦機的生產能力還與物料中的泥質含量、產品的泥質含量以及安裝角度等因素有關。綜合考慮這些因素，選擇合適的轉速、傾斜角和螺距等參數是提高洗礦機生產能力的關鍵。因此，在設計洗礦機時，需要綜合考慮上述因素，以確保最佳的生產效率和產品質量。螺旋洗礦的產量

式中：m為螺旋軸數；D為螺旋直徑；β0為傾斜槽斜度影響系數；?為填充系數；S0為螺旋導程；n為螺旋轉速；ρ為礦石密度。

2.3 三維建模

螺旋葉片的設計機理為：螺旋葉片與軸中心構成傾角，葉片旋轉時產生推動力，使磷礦顆粒沿螺旋軸縱向向上移動。為達到交叉地連續推動礦石，其傾斜角度應與螺旋導程相適應，一般在 55°～70°范圍內選取。某礦山使用的洗礦機螺旋葉片如圖4 所示，運用 SolidWorks 軟件對螺旋葉片簡化建模，結果如圖5(a)所示。作為對比，設計了另外 2 種葉片，一種是螺旋軸采用塊狀葉片和連續型螺旋狀葉片搭配組合，其中單軸 16 對塊狀葉片，10 對螺旋狀葉片，如圖5(b)所示；另一種螺旋軸采用 26 對螺旋狀葉片，如圖5(c)所示。采用 3 種不同結構螺旋葉片的洗礦機分別為洗礦機 A、B、C。為研究葉片結構對洗礦機生產效率的影響，所有仿真方案設定槽體傾角為 14°，轉速為 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 現場使用的螺旋葉片Fig.4 Screw blades used on site

圖5 不同的葉片結構Fig.5 Structures of different blades

2.4 磷礦顆粒模型及參數設定

根據現場磷礦石采樣分析和查閱資料，磷礦石顆粒半徑在 10～28 mm，為保障仿真結果的真實有效，運用 SolidWorks 軟件對礦石顆粒建模，然后將模型導入 EDEM 軟件中，采用 4 個球形顆粒填充，如圖6 所示。磷礦石和洗礦機材料參數如表1 所列。

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

3 仿真結果分析

螺旋葉片洗礦機 EDEM 仿真過程如圖7 所示，可以很直觀地看出，磷礦顆粒進料口和出料口的位置。在出料口添加求解域，用來統計單位時間內礦石顆粒的質量，時間間隔為 0.05 s。

圖7 仿真過程Fig.7 Simulation process

3.1 葉片結構對洗礦產量的影響

將 3 種結構葉片的洗礦機達到穩定連續出礦狀態后，再取 10 s 的仿真數據導入 Origin 中擬合曲線，如圖8 所示。由圖8(a)可以看出，單位時間內洗礦機 C產量最高；由圖8(b)分析可知，洗礦機 A 運行穩定后的出礦速率為 16.1 k g/s，遠遠達不到礦山對洗礦機設計能力要求的 38.89 kg/s；洗礦機 C 相較于 A，洗礦效率提升了 148.45%，但是洗礦時間遠達不到要求；洗礦機 B 單位時間礦產量為 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 B 可以使洗礦時間得到保障。由此說明，提高洗礦效率的同時很難保障洗礦時間，增加螺旋狀葉片的長度可以提高洗礦效率，但是洗礦時間得不到保障，因此需要進一步優化葉片結構和排布以增加洗礦時間。

圖8 洗礦產量Fig.8 Quantity of ore washing

3.2 葉片結構優化

在某礦山實地觀察洗礦機的使用情況時，發現可以把整個洗礦的過程劃分 3 個區域：主要擦洗區、過渡區和運輸區。因此，對應不同區域，分別設計 3段不同結構的葉片，如圖9 所示。新設計的洗礦機 D主要擦洗區長 4 000 mm，單軸塊狀葉片 14 對；過渡區長 2 500 mm，單軸塊狀葉片 9 對；運輸區長 1 620 mm，單軸螺旋狀葉片 5 對。對洗礦機 A～D 進行仿真，結果如圖10 所示。由圖10(a)可知，洗礦機 D 單位時間出礦量相較于洗礦機 C 略有下降；由圖10(b)可知，穩定運行后，洗礦機 D 產量為 34.01 kg/s，相較于洗礦機 A 產量提高了 111.24%，相較于洗礦機C 產量下降了 14.96%，相較于洗礦機 B 產量提高了43.45%；由圖10(c)、(d)可知，洗礦機 D 的洗礦時間和顆粒間碰撞摩擦次數與洗礦機 A 接近，符合洗礦質量要求。仿真結果表明，洗礦機 D 的葉片結構設計更為合理。

圖9 洗礦機 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 結論

(1)在螺旋軸轉速和槽體與地面安裝傾斜角度一定的情況下，增加連續螺旋狀葉片結構長度，可以有效提高洗礦機的生產效率，但是很難保障洗礦時間和洗礦質量。

(2)將螺旋軸分為 4 000、2 500、1 620 mm 3 段，分別對應主要擦洗區、過渡區和運輸區，設計 3 種不同結構葉片的洗礦機最為合理，單位時間內的礦產量相較于現使用的洗礦機提升了 111.24%。