基于流固耦合分析的大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果研究.pdf

分分类类号号单位代码单位代码10183 研究生学号研究生学号2018412050密密级公开级公开 吉 林 大 学 硕士学位论文 （（学学术术学学位位）） 基于流固耦合分析的 大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果研究 Study on Grinding Effect of Large Vertical Screw Stirring Mill that based on Fluid-Structure Interaction 作者姓名高旭东作者姓名高旭东 专专业机械设计及理论业机械设计及理论 研究方向现代设计理论与方法研究方向现代设计理论与方法 指导教师王国强指导教师王国强 培养单位机械与航空航天工程学院培养单位机械与航空航天工程学院 2021 年年 6 月月 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 I 摘摘要要 基于流固耦合分析的大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果研究 随着我国工业逐步向大型化、高效化发展，大型立式螺旋搅拌磨机的设计需 求和使用需求逐步增加。本文结合校企合作项目“大型立式螺旋搅拌磨机仿真分 析及优化设计” ，对大型立式螺旋搅拌磨机的磨矿效果进行了研究。 本文综述了大型立式螺旋搅拌磨机的研究背景、研究意义和发展现状，包括 磨矿设备与搅拌磨机的发展现状， 立式螺旋搅拌磨机结构组成和特点以及国内外 研究现状。 分析了立式螺旋搅拌磨机的粉磨机理和关键参数。粉磨机理包括工作原理、 粉碎理论、研磨介质应力强度、粉碎能耗等。关键参数包括螺旋直径、升角和导 程等结构参数以及搅拌速度、研磨介质属性等特征参数，并进行了功率的推导。 利用流固耦合仿真分析法，构建了立式螺旋搅拌磨机的动力学仿真模型，形 成了适用于大型立式螺旋搅拌磨机的动力学仿真方法， 并与实际磨机数据进行对 比验证了此方法的有效性。 通过动力学仿真分析了磨机的粉磨过程及影响磨矿效 果的因素。 利用基于时间的种群平衡模型， 构建了预测立式螺旋搅拌磨机产品粒径分布 的数学模型， 通过磨机的磨矿试验验证了模型的有效性并进行了常用进料下模型 的参数拟合。同时通过试验结果分析了工艺参数对磨矿效果的影响。 分析了大型立式螺旋搅拌磨机重要参数的设计过程， 针对某型号大型立式螺 旋搅拌磨机的初步设计方案，进行了动力学仿真和磨矿产品粒径分布预测。随后 明确了磨机可变参数并进行了优化， 通过优化后模型动力学仿真确保其处于良好 的研磨工作状态，并进行优化后磨机的磨矿产品粒径分布预测，与优化前对比， 磨矿效果大幅度提升。 最终形成一套大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果的分析与优 化方法，为大型立式螺旋搅拌磨机的设计提供了参考。 关键词关键词 大型立式螺旋搅拌磨机、流固耦合、种群平衡模型、磨矿效果、磨机优化 万方数据 III Abstract Study on Grinding Effect of Large Vertical Screw Stirring Mill that based on Fluid-Structure Interaction With the development of Chinas industry to large-scale and high-efficiency, the design demand and use demand of large-scale vertical screw stirring mill are gradually increasing. In this paper, combined with the school enterprise cooperation project “simulation analysis and optimization design of large vertical spiral stirring mill“, the grinding effect of large vertical spiral stirring mill is studied. This paper summarizes the research background, research significance and development status of large vertical spiral stirred mill, including the development status of grinding equipment and stirred mill, the structure and characteristics of vertical spiral stirred mill, and the research status at home and abroad. The grinding mechanism and key parameters of vertical screw stirring mill are analyzed. Grinding mechanism includes working principle, grinding theory, grinding medium stress intensity, grinding energy consumption and so on. The key parameters include structure parameters such as screw diameter, lift angle and lead, as well as characteristic parameters such as stirring speed and grinding medium properties. By using the fluid structure coupling simulation analysis , the dynamic simulation model of vertical spiral stirring mill is constructed, and the dynamic simulation suitable for large vertical spiral stirring mill is ed. The effectiveness of this is verified by comparing with the actual mill data. The grinding process of the mill and the factors affecting the grinding effect are analyzed by dynamic simulation. Based on the time-based population balance model, a mathematical model for predicting the product particle size distribution of vertical screw stirring mill was established. The grinding experiment of the mill verified the validity of the model, and the parameters of the model were fitted under common feeding conditions. At the same time, the influence of process parameters on grinding effect is analyzed through the experimental results. This paper analyzes the design process of the important parameters of the large vertical spiral stirring mill. According to the preliminary design scheme of a large 万方数据 IV vertical spiral stirring mill, the dynamic simulation and the prediction of the particle size distribution of the grinding product are carried out. After that, the variable parameters of the mill are defined and optimized. Through the dynamic simulation of the optimized model, it is ensured that it is in a good grinding state. The particle size distribution of the grinding product of the optimized mill is predicted. Compared with that before optimization, the grinding effect is greatly improved. Finally, a set of analysis and optimization s for grinding effect of large vertical spiral stirring mill is ed, which provides a reference for the design of large vertical spiral stirring mill. Keywords Large vertical screw stirring mill ， fluid-structure interaction ， population equilibrium model，grinding effect，mill optimization 万方数据 V 目录 第一章 绪论............................................................................................... 1 1.1 研究背景和意义.................................................................................................1 1.2 磨矿设备的发展现状.........................................................................................2 1.2.1 低速立式搅拌磨机......................................................................................3 1.2.2 卧式搅拌磨机..............................................................................................4 1.2.3 高速立式搅拌磨机......................................................................................4 1.3 立式螺旋搅拌磨机国内外研究现状.................................................................5 1.3.1 结构组成及特点..........................................................................................6 1.3.2 立式螺旋搅拌磨机国外研究现状..............................................................7 1.3.3 立式螺旋搅拌磨机国内研究现状............................................................10 1.4 本文研究内容...................................................................................................11 第二章 立式螺旋搅拌磨机粉磨机理及关键参数分析........................ 15 2.1 工作原理分析...................................................................................................15 2.2 立式螺旋搅拌磨机粉磨机理分析...................................................................16 2.2.1 物料粉碎机理............................................................................................16 2.2.2 物料粉碎能耗............................................................................................17 2.2.3 介质研磨作用............................................................................................18 2.2.4 介质应力强度............................................................................................20 2.2.5 研磨有效区域............................................................................................21 2.3 关键参数分析...................................................................................................22 2.3.1 搅拌器转速................................................................................................22 2.3.2 螺旋直径....................................................................................................23 2.3.3 螺旋升角与导程........................................................................................23 2.3.4 研磨介质属性............................................................................................23 2.3.5 平均研磨时间............................................................................................24 万方数据 VI 2.4 功率分析...........................................................................................................24 2.4.1功率推导.................................................................................................24 2.4.2 功率计算验证............................................................................................28 2.5 本章小结...........................................................................................................29 第三章 基于 FSI 的立式螺旋搅拌磨机粉磨过程动力学分析.............31 3.1 FSI 原理分析及耦合模型建立.........................................................................31 3.1.1 FSI 原理分析..............................................................................................31 3.1.2 动力学耦合模型构建................................................................................33 3.2 粉磨过程 FSI 法耦合仿真及实测数据验证...................................................36 3.2.1 FSI 耦合仿真..............................................................................................36 3.2.2 耦合仿真结果验证....................................................................................37 3.3 粉磨过程仿真分析...........................................................................................39 3.3.1 研磨介质运动分析....................................................................................39 3.3.2 流场运动分析............................................................................................41 3.3.3 能量耗用导向分析....................................................................................41 3.3.4 碰撞能量谱................................................................................................42 3.3.5 压力分布分析............................................................................................43 3.4 本章小结...........................................................................................................44 第四章 立式螺旋搅拌磨机磨矿效果试验研究.....................................45 4.1 基于时间的种群平衡模型模拟原理...............................................................45 4.1.1 种群平衡模型构建过程............................................................................45 4.1.2 破碎方程....................................................................................................46 4.1.3 选择方程....................................................................................................47 4.2 试验平台设计方案...........................................................................................48 4.2.1 试验平台设计目的....................................................................................48 4.2.2 试验平台组成............................................................................................48 4.3 试验结果及分析...............................................................................................50 4.3.1 试验结果与选用........................................................................................50 万方数据 VII 4.3.2 种群平衡模型模拟原理的试验验证........................................................52 4.3.3 工艺条件对磨矿产品影响分析................................................................54 4.4 本章小结...........................................................................................................57 第五章 大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果分析与优化........................ 59 5.1 大型立式螺旋搅拌磨机的设计过程研究.......................................................59 5.1.1 关键结构参数的设计选取过程分析........................................................60 5.1.2 关键操作参数的设计选取过程分析........................................................61 5.2 某大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果分析.......................................................62 5.2.1 某大型立式螺旋搅拌磨机磨矿功率预测.................................................62 5.2.2 FTM4500 型大型立式螺旋搅拌磨机磨矿产品预测................................65 5.3 某大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果优化.......................................................66 5.3.1 优化模型建立............................................................................................66 5.3.2 优化计算与结果分析................................................................................68 5.4 本章小结...........................................................................................................69 第六章 总结与展望.................................................................................71 6.1 全文总结...........................................................................................................71 6.2 研究展望...........................................................................................................72 参考文献....................................................................................................73 作者简介及科研成果...............................................................................81 致谢............................................................................................................83 万方数据 IX 主要符号说明 符号含义符号含义 f W 物料粉碎所需能量 t V筒体净容积 k W空转时所需能量 z t滞留时间 j e 研磨介质充填率 VB E单位体积介质动能 D磨机筒体直径 R D搅拌器直径 u搅拌器圆周速度 M E有效区域物料吸收能 B V介质体积 A V有效区域面积 dE颗粒粒度减小能耗 M 物料密度 M 物料颗粒层间隙率 c a介质离心加速度 t v搅拌螺旋尖端线速度 p V 物料体积 cm SI离心力介质应力强度 c F介质离心力 g F 介质所受压力 m A介质受力面积 gm SI 压力介质应力强度 t N筒体内壁对介质压力 螺旋叶片升角介质运动绝对升角 介质与叶片的摩擦角 c 摩擦系数 l n搅拌器临界转速 H搅拌器导程 z d螺旋中径平均研磨时间 v矿浆体积流量研磨介质平均空隙率 k m矿料重量 k 矿料密度 Z m有用部分相对质量 G T 固体运动而施加于螺 旋轴上的力矩 K修正系数 Y P搅拌功率 p N 搅拌功率准数N搅拌器转速  粘度P螺旋搅拌器净功率 万方数据 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 随着中国矿业的飞速进步，各式各样的矿业设备逐步被开发和利用起来。但 随着对矿石的需求量越来越大，开采矿石的难度也越来越大，简单易直接使用的 矿石越来越少， 而富含大量杂矿的难使用矿石就变成了目前最需要开发和利用的 矿石资源[1]。 矿物资源的合理使用，储备矿石的计划性开采，一直是我国绿色可持续发展 矿业的前进方向。近年来，社会科技水平的不断发展和人们物质生活的飞速提升 使得对可用矿石资源的需求越来越大。 现有资源的充分利用和尾矿的合理回收成 为了现今我国矿业的重中之重。 目前主要提升矿石资源利用率的方法就是将出料 矿石的粒度等级降低，向着微米级、甚至纳米级发展[2]。 近年来，由于粗粒矿体的枯竭以及微细浸染矿物和复杂矿体的加工量增加， 对细磨的需求也逐渐增加。 这些矿石的研磨对选矿厂的磨机设计提出了新的挑战， 需要细磨和超细磨以提高可接受的回收率[3]。出料粒径所需的尺寸越小，粉碎过 程所需的能量就越高。因此，正确设计磨削回路对获取更好的研磨效果、提高产 品质量至关重要。 立式螺旋搅拌磨机是一种以摩擦研磨为主要工作方式的细磨再 磨矿石设备，它能耗低、噪音小、机器所占面积小[4]。其使用频率的逐年提高彰 显了立式螺旋搅拌磨机的重要性。 随着立式螺旋搅拌磨机逐步向大型化、高效化发展，大型立式螺旋搅拌磨机 的设计需求和使用需求逐步增加。大型立式螺旋搅拌磨机具有更高的生产效率、 更低的能源消耗率，这符合我国目前矿业的主流发展方向。虽然大型立式螺旋搅 拌磨机具有很大的适应性和很高的效率，但是国内对此的研究还很少，主要是对 国外机型的引入和使用[5]。 为了更好地研究大型立式螺旋搅拌磨机磨矿作业的磨矿效果， 以便提升大型 立式螺旋搅拌磨机的磨矿效率， 需要再进一步研究立式螺旋搅拌磨机的磨矿原理， 通过对其筒体内建立矿浆流体和研磨介质颗粒动力学耦合模型， 明确立式螺旋搅 拌磨机在粉磨过程中各相物质的运动情况以及磨矿过程中的能量消耗过程， 利用 基于时间的种群平衡模型分析预测大型立式螺旋搅拌磨机的出料粒径分布， 从而 万方数据 吉林大学硕士学位论文 2 以磨矿效果作为目标优化立式螺旋搅拌磨机的磨矿参数设计， 达到更好的研磨效 果。正确合理的流固耦合动力学仿真和符合实际的出料粒径分布分析预测，是研 究立式螺旋搅拌磨机能量消耗规律，从而优化磨矿效率的重中之重。所以需要深 入研究大型立式螺旋搅拌磨机磨矿效果， 其对实际大型立式螺旋搅拌磨机磨矿作 业和设备优化设计具有一定的指导作用。 1.2 磨矿设备的发展现状磨矿设备的发展现状 磨机的使用和发展已经历经了 70 余年，磨机种类也越来越多，各类磨机及 其适用范围如下图 1.1 所示。 图 1.1 各类磨机及其适用范围 磨矿是指改变固体矿料的形状以及减小固体矿料的尺寸， 作为矿石的初步处 理来方便下一工业部门的使用。 而更高的单体解离度和更细的颗粒粒度要求致使 磨矿作业中细磨和再磨作业的要求越来越高。在细磨中，Andreatidis 认为四个因 素是导致能耗增加的主要原因[6] （1）颗粒的抗破碎性随着粒度的减小而增加。 （2）脆性材料在特定尺寸范围内发生塑性变形。 （3）当粒子尺寸减小时，各项 阻力改变了粒子的运动形式。 （4）粘附力会导致细颗粒团聚，并促进研磨介质表 面的涂层。 因此，湿法研磨被广泛的应用。Cleary[7]发现在存在水的情况下，化学添加 剂可以穿透裂缝，并在破碎前降低颗粒尖端的粘结强度，有助于消除粉尘问题、 减少结块、降低每吨产品所需功耗、增加磨机容量并控制产品颗粒的输送行为。 在要求的产品尺寸小于 100μm的情况下，有许多设备可用于细磨操作。根 万方数据 第一章 绪论 3 据向矿料施加运动的方式不同，通常分为两类 （1）滚筒式球磨机； （2）搅拌式 磨机。搅拌式磨机现在普遍用于采矿业的许多部门，加工经验表明，对于小于 100μm的产品，搅拌磨机平均可节省 30的能量。根据 Altun 等人 2013 年的研 究，这种更高的能源效率与磨损破坏机制及其运行特性有关[8]。搅拌式磨机主要 用于精磨和再磨操作。在该设备中，研磨介质，如不锈钢、陶瓷或玻璃等用于破 碎颗粒。研磨室是静止的，搅拌器用于向介质提供运动。尽管搅拌式磨机的种类 繁多，但一般可分为三类 （1）低速立式搅拌磨机； （2）卧式搅拌磨机； （3）高 速立式搅拌磨机。 1.2.1 低速立式搅拌磨机低速立式搅拌磨机 第一台低速立式搅拌磨机，即立式螺旋搅拌磨机，是由 Stief、Lawruk 和 Wilson 等研制的。 立式螺旋搅拌磨机由一个螺旋式搅拌器组成， 用于在磨矿过程 中提供粉磨能量。 螺旋搅拌器产生的旋转和提升作用负责磨机内研磨介质和研磨 矿料的移动。 在塔式粉碎机中， 使用的研磨介质常为钢球或鹅卵石。 根据 Jankovic 和 Valery 进行的统计，典型的介质尺寸从 6mm 到 40mm 不等[9]。细磨颗粒通过 泵送液体向上输送，并溢流至分级机。分级后，粗颗粒返回磨室底部。最终分类 通常使用水力旋流器完成，其中溢流为最终产品，底流返回至粉碎过程。 图 1.2 低速立式螺旋搅拌结构示意图 万方数据 吉林大学硕士学位论文 4 立式螺旋搅拌磨机比滚筒式球磨机需要更少的占地面积。Bergerman[10]在 2013 年分析立式搅拌磨机所需的安装面积比滚筒式球磨机所需的占地面积小 50到 70。与球磨机相比，垂直搅拌研磨操作期间的噪音降低了 25。立式螺 旋搅拌磨机的特点是维护和运行成本较低，电力消耗约为球磨机的 60。据 Bergerman 统计全世界约 67的低速立式搅拌磨机用于再磨作业，24用作二次 或三次磨矿设备，2用于石灰磨矿，7用于其他作业。图 1.2 即为立式螺旋搅 拌磨机结构示意图。 1.2.2 卧式搅拌磨机卧式搅拌磨机 通常，卧式搅拌磨机因其向颗粒提供了大量的能量所以多用于超细粉磨。 卧式搅拌磨机最常见的例子是嘉能可科技公司生产的艾萨磨。ner Yusuf TORAMAN, Serkan AYIRLI 在 2016 年研究发现艾萨磨的矿物粉碎是在相对较 低的功耗下通过磨损实现的[11]。艾萨磨的产量较低，适用于超细粉碎，出料通常 在 15m 以下，需要高能量输入。 艾萨磨研磨室是一个水平安装的壳体，目前最大型号的艾萨磨 ISM50000 总 容积为 46000 升。在外壳内部，有一个旋转的磨盘安装在一个连接到电机的中心 轴上。圆盘负责搅拌磨机内的颗粒、介质和水，以促进高速旋转时的粉碎。圆盘 的尖端转速范围为 19m/s 到 22m/s。工作过程中，在设备的排出端，利用分离器 通过离心作用将细产品从粗介质中分离出来。然后，粗介质被保留并泵送回磨机 的进料端[12]。嘉能可科技公司在 2017 年公布，其设计的艾萨磨可以使用比塔式 磨机更细的介质，最低到 1mm 而不是塔式磨机的 12mm 到 25mm，该设备可有 效地将颗粒破碎至 7m 的产品尺寸。图 1.3 显示了艾萨磨