立式螺旋搅拌磨机关键参数的数值模拟研究.pdf

3 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 0 7 立式螺旋搅拌磨机关键参数的数值模拟研究 桑艳伟，张国旺，黄礼龙，肖骁，赵湘，石 立 长沙矿冶研究院有限责任公司，长沙4 1 0 0 1 2 摘 要为深入掌握立式螺旋搅拌磨机 立磨机 关键参数对其磨矿性能的影响规律，采用离散单元法对立磨机进行数 值模拟研究，选取的关键参数为搅拌器转速和搅拌器螺旋升角。研究结果表明，随着搅拌器转速的增加，磨矿介质群的碰撞 力增大，碰撞次数减少．同时立磨机能耗增加，因此，在物料达到粉磨要求的前提下，立磨机应选择低转速；当搅拌器螺旋升角 在1 2 。至2 0 。范围内，随着螺旋升角的增加，磨矿介质群碰撞力先增大后减小，碰撞数量增多，茁磨机的能耗波动较大，综合分 析以上结果．当搅拌器螺旋升角为1 6 。时，立磨机磨矿性能相对较好。 关键词立式螺旋搅拌磨机；离散单元法；关键参数；磨矿性能 中图分类号T D 4 5 3 ．9 文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 0 3 6 - 0 5 S t u d yo nN u m e r i c a lS i m u l a t i o no ft h eV e r t i c a lS c r e wS t i r r e dM i i lK e yP a r a m e t e r s S A N GY a n w e i ，Z H A N GG u o w a n g ，H U A N GL i l o n g ，X I A OX i a o ，Z H A OX i a n g ，S I t lL i C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ee f f e c t o ft h ev e r t i c a ls c r e ws t i r r e dm i l lk e yp a r a m e t e r so ni t sg r i n d i n g p e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e ru s e st h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d D E M t oc a r r yo u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e v e r t i c a ls c r e ws t i r r e dm i l l ．T h ek e yp a r a m e t e r sa r et h ea g i t a t o rs p e e da n dt h ea g i t a t o rs c r e wa n g l e ．T h er e s u l t ss h o w t h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea g i t a t o rs p e e d ，t h ec o l l i s i o nf o r c eo ft h eg n n d i n gm e d i u mg r o u pi n c r e a s e sa n dt h e n u m b e ro fc o l l i s i o nd e c r e a s e s ，a n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ev e n i c a ls c r e ws t i r r e dm i l li n c r e a s e s ．T h e r e f o r e ． w h e nt h es t u f fa c h i e v e sc r u s h i n gr e q u i r e m e n t ，t h ev e r t i c a ls c r e ws t i r r e dm i l ls h o u l dc h o o s el o ws p e e d ；W h e nt h e a g i t a t o rs c r e wa n g l ei s i nt h er a n g eo f12 。t o2 0 。，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es c r e wa n g l e ，t h ec o l l i s i o nf o r c eo ft h e g r i n d i n gm e d i u mg r o u pi n c r e a s e sf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e s ，t h en u m b e ro fc o l l i s i o n si n c r e a s e s ，a n dt h ee n e r g y c o n s u m p t i o nf l u c t u a t e sl a r g e ，c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ea b o v er e s u l t s ，w h e nt h ea g i t a t o rs c r e wa n g l ei s1 6 。，t h e g r i n d i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev e r t i c a ls c r e ws t i r r e dm i l li sr e l a t i v e l yg o o d ． K e yw o r d s v e r t i c a ls c r e ws t i r r e dm i l l ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ；k e yp a r a m e t e r s ；g r i n d i n gp e r f o r m a n c e 立式螺旋搅拌磨机是一种高效的细磨、超细磨 设备，广泛地应用于矿业、冶金、建材、化工等行业。 立磨机主要由电动机、传动机构、筒体、搅拌器等组 成，工作时，由搅拌器带动简体内介质球进行多维循 环运动和自转运动，通过介质球之间的研磨、剪切和 冲击作用实现对物料的有效粉磨。由于用传统的实 验方法研究立磨机各关键参数对磨矿性能的影响规 律有一定的限制性，导致国内外学者对其研究不足， 影响了立磨机的工程设计及其磨矿性能的提升o ～。。 随着各行业对立磨机的需求不断增加，人们对 立磨机的研究也更加深入，实践证明，使用离散单元 法 D E M 对立磨机进行数值模拟研究是一种有效的 途径。 P a u lW ．C l e a r y 等“ 刮应用离散单元法分别从搅 拌磨机的介质运动、能量损耗、介质之间的碰撞行 为、筒体和搅拌器的受力与磨损以及工程放大等方 面进行分析。肖正明等‘6 。应用离散单元法对立磨机 的运行参数进行优化匹配研究，同时提出从碰撞力 学的角度表征立磨机磨矿性能。任廷志等一引分别 应用离散单元法对立磨机的各关键参数进行数值模 拟研究。但应用离散单元法对立磨机关键参数的研 究不够全面，尤其是在搅拌器螺旋升角上的研究相 对较少。 为掌握立磨机关键参数对磨矿性能的影响规 律，本文应用离散单元法从数值模拟的角度进行研 究分析，以碰撞力、碰撞次数、碰撞能、能量利用率等 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 一1 5 作者简介桑艳伟 1 9 9 3 - ，男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要从事超细粉碎装备与工艺研究。 万方数据 2 0 1 7 年增刊桑艳伟等立式螺旋搅拌磨机关键参数的数值模拟研究 3 7 因素表征立磨机的磨矿性能，以搅拌器转速、搅拌器 螺旋升角为本次研究的关键参数，分析其对立磨机 磨矿性能的影响规律。 1 立磨机建模及数值模拟过程 1 ．1 物理模型 以长沙矿冶研究院J M 一2 6 0 型立磨机为研究对 象，该型号立磨机的具体参数如表1 所示。 表1立磨机具体参数 T a b l e1 S p e c i f i cp a r a m e t e r s o ft h ev e a i c a ls c r e w s t i r r e dm i l l 内容技术参数 型号 简体内径／m m 筒体内高／r a m 简体容积／L 加球量／k g 电机功- 3 誊／k W 使用某三维软件对研究对象按1 1 的比例进行 物理建模，在不影响立磨机仿真准确性的前提下，对 表2 T a b l e2 立磨机物理模型进行简化，仅保留筒体和螺旋搅拌 器，如图1 所示。 墓 图1 立磨机物理模型 F i g ．1P h y s i c a lm o d e lo ft h em i l l 1 ．2 软件设置 使用某离散元软件对立磨机进行数值模拟研 究，软件的基本参数设置如表2 。 软件参数设置 S o f t w a r ep a r a m e t e rs e t t i n g s 介质球、几何体的泊松比 介质球、几何体的剪切模量 介质球、几何体的密度 介质球与介质球、介质球与几何体的接触模型 介质球与介质球、介质球与几何体的恢复系数 介质球与介质球、介质球与几何体的静摩擦系数 介质球与介质球、介质球与几何体的滚动摩擦系数 O ．3 7 e 1 0P a 78 5 0k s ／m 3 H e r t z ．M i n d l i n 无滑动模型 0 ．7 O ．2 O ．0 1 如图2 所示，立磨机在离散元软件中的模拟状态。 i ‰ 。镧蓬 ； 图2 立磨机模拟状态 F i g ．2 S i m u l a t i o ns t a t eo ft h em i l l 1 ．3 数值模拟实验安排 由于立磨机的入磨物料粒度较小，对介质球运 动的影响可以忽略，同时人磨物料的接触模型也较 为复杂，因此本文所进行的数值模拟实验均不考虑 入磨物料。在数值模拟实验中，添加的磨矿介质球 均为1 0m m 的钢球，重量为8 0k g 。在以转速为唯一 变量的实验中，选取1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 、2 1 0 和2 4 0r ／m i n 五个转速进行数值模拟实验，在以搅拌器螺旋升角 为唯一变量的实验中，选取1 2 0 、1 4 。、1 6 0 、1 8 。、2 0 0 五 个螺旋升角进行数值模拟实验，以此来研究不同转 速和不同螺旋升角对立磨机磨矿性能的影响规律。 2 数值模拟实验结果分析 在计算机上进行了1 0 组数值模拟实验，通过对 数值模拟结果进行数理统计，得出了一些规律，本文 中提到的立磨机功率为搅拌器扭矩与搅拌器角速度 的乘积，不包含传动机构的能量损失，能量利用率为 一拗一如～” 5 万方数据 3 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 磨矿介质群总碰撞能与能耗的比值。 2 ．1 立磨机关键参数之转速 立磨机是一种中低速运行的超细粉碎设备，螺 旋搅拌器的旋转速度与磨矿介质球的受力、运动以 及能量息息相关，搅拌器旋转速度直接影响立磨机 的生产能力和磨矿产品的粒度。 螺旋搅拌器在不同转速下，磨矿介质球之间碰 撞产生的平均法向力和平均切向力如图3 所示，随 着转速的升高，平均法向力和平均切向力随其增大， 这是由于转速增加，介质球的径向挤压与轴向循环 运动增强，导致磨矿介质群的碰撞力增大，单次有效 破磨的概率增加，同时如图4 所示随着转速升高，单 位时间内磨矿介质群之间碰撞次数减少，致使在单 位时间内磨矿介质群对物料实施破磨的机率降低。 图3平均法向力和平均切向力随转速的变化 F i g ．3A v e r a g en o r m a lf o r c ea n da v e r a g e t a n g e n t i a lf o r c ew i t hr o t a t es p e e d 转速／ r 图4 碰撞次数随转速的变化 F i g ．4 N u m b e ro fc o l l i s i o nw i t hr o t a t es p e e d 如图5 、图6 、图7 、图8 所示，随着转速升高，磨 矿介质群的总碰撞能增加，搅拌器扭矩呈增大的趋 势，但在中间部分的扭矩波动较小，功率增加，能量 利用率整体呈现下降趋势，同时在中间部分波动 较小。 因此，通过对以上结果进行综合分析可以得出 随着搅拌器转速的增加，立磨机磨矿介质群的碰撞 力增强，碰撞次数减少，同时立磨机能耗增加，所以 在选择转速时，既要保证能让物料有效破磨的碰撞 力，还要保证对物料实施破磨的碰撞次数，同时希望 能耗相对较小，所以在达到磨矿目标的前提下，立磨 机应选择低转速。 转速／ r I l q i l l 。 图5总碰撞能随转速的变化 F i g ．5 T o t a lc o l l i s i o ne n e r g yl o s sw i t hr o t a t es p e e d 图6 扭矩随转速的变化 F i g ．6 T o r q u ew i t hr o t a l es p e e 转j ／ r m i n 。1 图7 功率随转速的变化 F i g ．7 P o w e rw i t hr o t a t es p e e d 图8 能量利用率随转速的变化 F i g ．8E n e r g ya b s o r p t i o nr a t i ow i t hr o t a t es p e e d 2 ．2 立磨机关键参数之螺旋升角 立磨机螺旋搅拌器的螺旋升角对磨矿介质群的 循环运动和挤压作用具有显著影响，同时介质群的 循环运动与挤压作用也密不可分。 万方数据 2 0 1 7 年增刊桑艳伟等立式螺旋搅拌磨机关键参数的数值模拟研究 3 9 螺旋搅拌器在不同螺旋升角下，磨矿介质球碰 撞产生的平均切向力和平均法向力变化曲线如图9 所示，随着螺旋升角的升高，平均法向力和平均切 向力均是先增大后减小，在1 6 。时的碰撞力相对较 大，同时如图1 0 所示随着螺旋升角的升高，单位时 间内磨矿介质群之间碰撞次数增加，这是由于螺旋 升角升高，磨矿介质群的循环运动加强，介质球之间 的碰撞次数增加，对物料实施破磨的机率增加。 如图1 1 、图1 2 、图1 3 、图1 4 所示，随着搅拌器螺 旋升角的增加，单位时间内磨矿介质群的总碰撞能 逐渐增加，能量利用率和搅拌器扭矩整体均呈增大 趋势，但在螺旋升角为1 6 。时，搅拌器扭矩和立磨机 功率均相对较小，能量利用率相对较大。 因此，通过对以上结果进行综合分析可以得出 随着搅拌器螺旋升角的增大，碰撞力先增大后减小， 碰撞次数增加，在搅拌器螺旋升角为1 6 。时，不但磨 矿介质球之间的碰撞相对较大，而且立磨机能耗相 对较低，此时立磨机磨矿性能相对较强。 螺旋升角／f 。 图9平均法向力和平均切向力随升角的变化 F i g ．9A v e r a g en O l ‘r e a l f o r c ea n da v e r a g et a n g e n t i a l 图1 0 碰撞次数随升角的变化 F i g ．1 0 N u m b e ro fc o l l i s i o nw i t ha n g l e f o r c ew i t ha n g l e 螺旋升角／ 。 图1 l总碰撞能随升角的变化 F i g ．11 T o t a lc o l l i s i o ne n e r g yl o s sw i t ha n g l e 图1 2 扭矩随升角的变化 F i g ．12 ‘F o r q u ew i t ha n g l e 螺旋升角／ 。 图1 3 功率随升角的变化 F i g ．13 P o w e rw i t ha n g l e 图1 4 能量利用率随升角的变化 F i g ．14E n e r g ya b s o r p t i o nr a t i ow i t ha n g l e 万方数据 4 0 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 3结论 本文基于离散单元法对立磨机进行数值模拟研 究，分别选取不同的转速和螺旋升角，探讨其对立磨 机磨矿性能的影响规律，通过在计算机上进行数值 模拟实验得出以下结论 1 随着转速的增加，磨矿介质群碰撞力增大， 碰撞次数减少，立磨机能耗增加，同时能量利用率呈 现减小趋势，因此，在物料达到粉碎要求的前提下， 立磨机应选择低转速。 2 随着搅拌器螺旋升角的增加，磨矿介质群碰 撞力先增大后减小，碰撞次数增多，碰撞力在螺旋升 角为1 6 。时相对较大，立磨机能耗在螺旋升角为1 6 。 时相对较低，能量利用率在螺旋升角为1 6 。时相对较 高。因此，搅拌器螺旋升角为1 6 。时，立磨机磨矿性 能相对较强。 参考文献 [ 1 ] 张国旺．超细粉碎设备及其应用[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 5 1 0 3 1 2 4 ． [ 2 ] 张国旺．现代选矿技术手册第一册 破碎筛分与磨矿分 级 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 6 3 5 7 - 3 7 0 ． [ 3 ] P A U LW ．C L E A R Y ，P H I L I PO W E N ．U s i n gD E Mt o u n d e r s t a n ds c a l e u pf o raH I C O Mm i l l [ J ] ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，2 0 1 6 ，9 2 8 6 1 0 9 [ 4 ] M A T rS I N N O T r ，P A U LW ．C L E A R Y ，R o b M o r r i o n ． A n a l y s i so fs t i r r e dm i l lp e r f o r m a n c eu s i n gD E Ms i m u l a t i o n P a r t l M e d i a m o t i o n ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n de o H i s i o n a l e n v i r o n m e n t [ J ] ．M i n e r a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，1 9 1 5 3 7 1 5 5 0 [ 5 ] M A T I “ S I N N O T I “ ，P A U LW ．C L E A R Y ，R O BM O R R I O N ． A n a l y s i so fs t i r r e d m i l lp e r f o r m a n c eu s i n gD E Ms i m u l a t i o n P a r t 2 一C o h e r e n tf l o ws t r u c t u r e s ，l i n e rs t r e s sa n dw e a r ，m i x i n g a n dt r a n s p o r t [ J ] ．M i n e r a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，1 9 1 5 5 1 - 1 5 7 2 [ 6 ] 肖正明，王鑫，伍星．塔磨机运行参数优化匹配的仿 真分析与试验研究[ J ] ．中国机械工程，2 0 1 6 ，2 7 6 4 8 3 - 4 8 7 ． [ 7 ] 任廷志，李卓，刘长远，等．基于离散元法的塔磨机数 值模拟分析[ J ] ．中国粉体技术，2 0 1 6 ，2 2 4 8 8 - 9 1 ． [ 8 ] 杨杰．基于离散单元法的立式搅拌球磨机建模仿真研 究[ D ] ．昆明昆明理工大学，2 0 1 5 ． 上接第4 页 3结论 惯性圆锥破碎机具有良好的“料层选择性破碎” 作用、破碎比大、产品粒度细、能破碎高硬度的脆性 物料等优点，在处理金矿、铁矿等对产品粒度要求较 高的金属矿中具有其它破碎机无法比拟的优势。试 验表明G Y P ．1 5 0 0 惯性圆锥破碎机具有以下特点 1 破碎产品粒度细最小可达P 舳 1 2m m ，产量 可达2 8 0t ／h 。可实现开路破碎，流程简单，极大减少 基建投资及流程布置对场地空间的要求，能很好的 满足中大型矿山企业细碎的需求。 2 惯性圆锥破碎机利用振动作用产生的振动能 量，实现了物料的“料层选择性破碎”，很好的满足堆 浸工艺对物料渗透性的要求，提高浸出率和浸出 速度。 3 G Y P ．1 5 0 0 惯性圆锥破碎机在新疆某高硬度 金矿的成功试验，表明该设备设计可靠、性能指标稳 定，在中大型矿山具有良好的应用前景。 参考文献 [ 1 ] 陈帮，夏晓鸥，刘方明．高硬度铜渣综合利用研究[ J ] ． 铜业工程，2 0 0 9 1 4 _ 6 ． [ 2 ] 唐威．惯性圆锥破碎机结构原理与应用研究[ J ] ．矿山 机械，2 0 0 1 ，2 9 1 3 1 3 3 ． [ 3 ] 夏晓鸥，罗秀建．惯性圆锥破碎机[ M ] ．北京冶金工业 出版社，2 0 1 5 5 6 - 5 9 ． [ 4 ] 朱炳玉，刘家军，朱亿广，等．新疆伊宁金山金矿床金的 赋存状态[ J ] ．地质通报，2 0 1 0 7 1 0 4 9 1 0 5 5 ． 万方数据