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陶瓷球為磨礦介質(zhì)的立式攪拌磨磨礦特性研究

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2024-06-01  瀏覽次數(shù):354
核心提示:陶瓷球為磨礦介質(zhì)的立式攪拌磨磨礦特性研究
 導(dǎo)讀


研磨介質(zhì)作為立式螺旋攪拌磨的重要組成部分,其種類直接影響磨機(jī)的磨礦特性。以立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)為研究對象,采用 CFD-DEM 方法建立礦漿與研磨介質(zhì)的流固耦合仿真模型,對氧化鋁陶瓷球和高鉻鋼球兩種研磨介質(zhì)進(jìn)行磨礦過程仿真研究,分析介質(zhì)球的運(yùn)動速度、碰撞力、碰撞次數(shù)以及螺旋攪拌器的轉(zhuǎn)矩。利用試驗?zāi)C(jī)進(jìn)行磨礦試驗,檢測 38 μm 和 45 μm 下的物料篩下累積量并計算磨機(jī)的磨礦噸功耗。結(jié)果表明,在相同填充率的條件下,以陶瓷球為磨礦介質(zhì)的立式攪拌磨磨礦噸功耗小于以鋼球為磨礦介質(zhì)的噸功耗,但磨礦處理量較低;當(dāng)陶瓷球的填充率提高時,磨礦噸功耗會提高,同時磨礦處理量也有所提高。

近年來,易選的礦產(chǎn)資源逐漸減少,隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略進(jìn)一步深化,面對有限的礦產(chǎn)資源,增加其利用率成為重中之重。立式螺旋攪拌磨作為一款超細(xì)磨設(shè)備,能夠滿足傳統(tǒng)球磨機(jī)無法達(dá)到的研磨粒度要求,且能量利用率更高,節(jié)能效率可提高 30%~50%,是實現(xiàn)“綠色礦山”的重要設(shè)備之一。

研磨介質(zhì)作為磨機(jī)中靠自身的沖擊力和研磨力將物料粉碎的載能體,是磨機(jī)的重要組成部分之一。在磨礦生產(chǎn)中,盡可能地發(fā)揮研磨介質(zhì)的功能是提高磨機(jī)效率的最關(guān)鍵因素,因此,研究研磨介質(zhì)與磨礦特性的關(guān)系意義重大。國內(nèi)外很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究,Sinnott 等人通過離散單元法對具有螺旋攪拌器與棒形攪拌器的立式磨機(jī)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)螺旋攪拌磨和棒式攪拌磨內(nèi)鋼球運(yùn)動呈現(xiàn)不同趨勢,并且非球形介質(zhì)會惡化攪拌器的磨礦效果,增加攪拌器的磨損;Strobel 等人研究了在小型臥式攪拌磨機(jī)中,研磨介質(zhì)尺寸和流體黏度對物料應(yīng)力狀態(tài)的影響,結(jié)果表明,較大的磨??傻玫捷^高的應(yīng)力能,而黏度的增加會降低應(yīng)力能;Batjargal 等人對攪拌球磨機(jī)磨礦介質(zhì)的三維運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)值模擬,計算了磨礦介質(zhì)的受力、動能和速度;周宏喜等人分析了立磨機(jī)內(nèi)研磨介質(zhì)的運(yùn)動情況,討論了研磨介質(zhì)在不同磨礦區(qū)域產(chǎn)生的研磨效果;謝朋書等人基于離散元方法分析了立式螺旋攪拌磨研磨介質(zhì)尺寸分布、攪拌器轉(zhuǎn)速以及導(dǎo)程對磨礦效果的影響,并提出了綜合磨礦性能指標(biāo),為磨機(jī)優(yōu)化設(shè)計提供了參考方法;李留政等人采用離散單元法對立式螺旋攪拌磨的磨礦過程進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)介質(zhì)球速度與攪拌器轉(zhuǎn)速及介質(zhì)球徑向方向上所處的位置關(guān)系較大,且介質(zhì)球碰撞力、碰撞次數(shù)與攪拌器轉(zhuǎn)速、介質(zhì)球填充率有很大關(guān)系。

目前,立式螺旋攪拌磨使用的研磨介質(zhì)多為高鉻鋼球,其以較低的價格在磨礦行業(yè)備受歡迎。鋼球密度大,在研磨過程中會產(chǎn)生很大的能耗;普通的陶瓷球雖密度小,但硬度過低,并不適用于研磨作業(yè)。隨著耐磨材料技術(shù)的發(fā)展,近年來出現(xiàn)了一種以氧化鋁為基本材料的新型納米陶瓷球,相比于鋼球,其具有更節(jié)能、更耐磨等優(yōu)勢,發(fā)展前景更廣闊。

筆者采用 CFD-DEM 耦合的方法建立礦漿與研磨介質(zhì)的流固耦合模型,探究在使用不同尺寸的陶瓷球和鋼球時,立式螺旋攪拌磨的磨礦特性以及能量損耗,并結(jié)合立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)的試驗結(jié)果,分析使用不同材料研磨介質(zhì)時的磨礦特性,為立式螺旋攪拌磨研磨介質(zhì)的選型提供依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 幾何模型

立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,在建立幾何模型時要對其進(jìn)行簡化,只保留筒體和攪拌器兩部分,由于其屬于旋轉(zhuǎn)器件,需要將流體域劃分成靜止域和旋轉(zhuǎn)域兩部分。立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)的幾何模型如圖1 所示,部分結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所列。

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圖1 立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)幾何模型

表1 立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

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在實際工況下,立式螺旋攪拌磨內(nèi)部物質(zhì)主要由研磨介質(zhì)、礦石、水和空氣組成,但礦石的入料粒度和研磨介質(zhì)的直徑相差較為懸殊,在仿真中很難準(zhǔn)確模擬出礦石的破碎。因此,仿真中將礦石和水組成的礦漿視為單一的流體相,且歐拉耦合模型只能應(yīng)用于兩相流,故該仿真忽略空氣,默認(rèn)磨機(jī)內(nèi)部充滿礦漿。

1.2 固液兩相流模型

物料和水組成的單一流體為礦漿,其密度和動力黏度計算公式為

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式中:C 為礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù);ρl 為礦漿密度,kg/m3;ρw 為水的密度,kg/m3;ρm 為干礦密度,kg/m3μl 為礦漿動力黏度,Pa·s;μw 為水的動力黏度,Pa·s;φl 為礦漿體積分?jǐn)?shù),%。

礦漿處于恒溫恒壓下,且考慮到礦漿與研磨介質(zhì)的相互影響,在守恒方程中加入一個額外的體積分?jǐn)?shù)項。由 Navier-Stokes 方程可知,礦漿的質(zhì)量和動量守恒方程為

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式中:εl 為空隙率;t 為時間,s;ul 為礦漿流速,m/s;gl 為礦漿重力加速度,m/s2S 為動量匯;n 為筒體內(nèi)研磨介質(zhì)的數(shù)量;FD 為研磨介質(zhì)所受礦漿作用力的總和,N;V 為筒體的體積,m3。

研磨介質(zhì)的運(yùn)動通過離散單元法 (DEM) 進(jìn)行求解,離散元軟件 EDEM 采用的是軟球模型,允許兩個剛體接觸時有略微重疊,接觸模型選擇 Hertz-Mindlin(no-slip) 模型。顆粒所受的接觸力可分為兩個分量,即法向接觸力和切向接觸力,其求解方程分別為

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式中,Fn 為法向接觸力,N;E* 為等效彈性模量,Pa;R* 為等效半徑,m;δn 為法向重疊量,m;Ft 為切向接觸力,N;G* 等效剪切模量,Pa;δt 為切向重疊量,m。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

通常在歐拉耦合接口中,F(xiàn)luent 流體域的網(wǎng)格尺寸要大于顆粒直徑至少 3 倍,網(wǎng)格體積大于顆粒體積至少 10 倍。仿真中,由于研磨介質(zhì)直徑較大,滿足此要求所劃分的網(wǎng)格質(zhì)量極差,需要修改耦合接口中關(guān)于體積分?jǐn)?shù)的算法,以便能夠滿足網(wǎng)格無關(guān)性的要求。采用修改算法后的接口進(jìn)行仿真驗證,考慮計算準(zhǔn)確性及運(yùn)算效率,選取網(wǎng)格最小尺寸為 5 mm,最大尺寸為 15 mm 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于磨機(jī)內(nèi)部的研磨作用只發(fā)生在研磨介質(zhì)與礦漿接觸的部分,為了減小仿真與實際的差別,根據(jù)研磨介質(zhì)在磨礦過程中能達(dá)到的最大高度,對磨機(jī)的幾何模型進(jìn)行截取。截取后的立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)網(wǎng)格如圖2 所示,網(wǎng)格數(shù)量為 5.11 萬個,最差質(zhì)量為 0.4。

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圖2 立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)網(wǎng)格

攪拌器在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生漩渦,為了提高計算渦流的精度,F(xiàn)luent 中湍流模型選擇 RNG κ -ε 模型,選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),出口設(shè)置為壓力出口,時間步長為 EDEM 的 100 倍。由于要考慮研磨介質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的影響,曳力模型選擇 Wen Yu &Ergun 模型。耦合接口連接前,在 EDEM 中對研磨介質(zhì)進(jìn)行預(yù)填充,預(yù)填充時攪拌器不轉(zhuǎn)動。由于 Fluent 在仿真開始時引入顆粒會對內(nèi)流場湍流引起較大變化,極易引起仿真發(fā)散,因此,須將體積分?jǐn)?shù)項松弛因子調(diào)小后再初始化,待內(nèi)流場穩(wěn)定后再逐漸調(diào)大。磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置如表2 所列。

表2 磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

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首先進(jìn)行 φ8 mm 鋼球介質(zhì)磨礦仿真,然后利用φ 8 mm 陶瓷球進(jìn)行磨礦仿真,考察鋼球和陶瓷球磨礦特性的差異。陶瓷球與鋼球材料屬性對比如表3 所列。由于陶瓷球密度比鋼球小得多,因此進(jìn)行以下 2種條件的陶瓷球磨礦仿真與試驗。

表3 研磨介質(zhì)材料屬性

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(1) 填充率相同,鋼球為 150.0 kg,陶瓷球為 72.6 kg;

(2) 陶瓷球填充率大于鋼球,陶瓷球為 100.0 kg。

2 結(jié)果分析與討論

立式螺旋攪拌磨運(yùn)行開始后,介質(zhì)球和礦物會隨著螺旋攪拌器的轉(zhuǎn)動向上運(yùn)動,當(dāng)?shù)竭_(dá)自由面時,又會在攪拌器與筒壁之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)向下運(yùn)動,如此往復(fù),通過介質(zhì)球之間、介質(zhì)球與攪拌器和筒壁之間的剪切、摩擦以及沖擊作用進(jìn)行研磨破碎。Fluent 中介質(zhì)球分布如圖3 所示。

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圖3 介質(zhì)球分布云圖

2.1 磨礦特性對比分析

由于仿真中將礦漿簡化成一種單一流體,無法檢測其出料粒度,因此,仿真的磨礦效果可以通過分析研磨介質(zhì)的運(yùn)動速度、碰撞次數(shù)以及碰撞力來間接評價。

2.1.1 運(yùn)動速度

在距磨機(jī)底部 1/3 高處截取一平面,以攪拌器中心為原點,提取平面內(nèi)距原點不同徑向距離處的研磨介質(zhì)平均運(yùn)動速度,結(jié)果如圖4 所示。

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圖4 研磨介質(zhì)運(yùn)動速度對比

由圖4 可以看出,隨著距原點徑向距離的增加,研磨介質(zhì)的運(yùn)動速度也逐漸增加,于攪拌器邊緣處達(dá)到最大值;在攪拌器邊緣距筒壁的環(huán)形區(qū)域內(nèi),研磨介質(zhì)不被攪拌器的旋轉(zhuǎn)所帶動,其運(yùn)動速度隨著徑向距離的增加而減??;同時,由于鋼球質(zhì)量較大,運(yùn)動速度從始至終都要小于陶瓷球;在增加填充率后,陶瓷球作自上而下往復(fù)運(yùn)動的距離增加,其在該平面內(nèi)的速度也會有所增加。

2.1.2 碰撞次數(shù)

3 種研磨介質(zhì)顆粒的碰撞次數(shù)對比如圖5 所示。

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圖5 研磨介質(zhì)碰撞次數(shù)對比

從圖5 可以看出,陶瓷球的碰撞次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼球,這與研磨介質(zhì)的運(yùn)動速度有很大關(guān)系,速度越大,顆粒之間的碰撞次數(shù)越多。

2.1.3 碰撞力

提取 3 種研磨介質(zhì)顆粒的法向碰撞力和切向碰撞力,結(jié)果如圖6 所示。

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圖6 研磨介質(zhì)碰撞力對比

從圖6 可以看出,相同填充率情況下,鋼球法向碰撞力比陶瓷球小,切向碰撞力比陶瓷球大,但相比較而言,兩種研磨介質(zhì)的法向碰撞力差距比切向碰撞力差距大得多。在研磨過程中,法向碰撞力占主導(dǎo)作用,因此法向碰撞力更大的陶瓷球磨礦效果會更好。當(dāng)提高陶瓷球的填充率時,法向碰撞力和切向碰撞力都有所下降,因此填充率并不是越大越好。

2.2 磨礦能耗對比分析

在磨機(jī)啟動階段,螺旋攪拌器要帶動研磨介質(zhì)和礦物由靜止?fàn)顟B(tài)動起來,該階段螺旋攪拌器會受到較大的靜摩擦力和慣性力矩,此時轉(zhuǎn)矩會急劇增大,隨后逐漸趨于穩(wěn)定。使用 3 種研磨介質(zhì)進(jìn)行仿真,提取的攪拌器轉(zhuǎn)矩及平均值如圖7~9 所示。

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圖7 使用 150.0 kg 鋼球時的攪拌器轉(zhuǎn)矩

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圖8 使用 72.6 kg 陶瓷球時的攪拌器轉(zhuǎn)矩

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圖9 使用 100.0 kg 陶瓷球時的攪拌器轉(zhuǎn)矩
 

能耗是衡量立式螺旋攪拌磨節(jié)能降耗的重要指標(biāo),攪拌器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和磨礦時間的乘積即為立式螺旋攪拌磨在某時刻的能耗。在轉(zhuǎn)速和磨礦時間恒定的情況下,轉(zhuǎn)矩成為決定攪拌器能耗的重要因素。由圖7~9 可知,由于陶瓷球的質(zhì)量比鋼球小很多,在相同填充率的情況下,使用陶瓷球作為研磨介質(zhì)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要比使用鋼球小得多;當(dāng)填充率提高時,攪拌器的轉(zhuǎn)矩也會隨之提高,但與使用鋼球所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍存在較大的差值。

2.3 試驗結(jié)果對比分析

在立式螺旋攪拌試驗?zāi)C(jī)上,以金礦為物料,分別加入 φ8 mm 鋼球 150.0 kg、φ8 mm 陶瓷球 72.6 kg及 φ8 mm 陶瓷球 100.0 kg 進(jìn)行試驗,試驗參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致,使用 KTR 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測攪拌器的轉(zhuǎn)矩。分次進(jìn)行磨礦溢流取樣,記錄每次取樣時的攪拌器轉(zhuǎn)矩,并計算磨礦噸功耗 (能耗/物料干重質(zhì)量),最后對溢流取樣樣品烘干,并進(jìn)行 38 μm 和 45 μm 下粒度篩分分析。3 組試驗測得的攪拌器平均轉(zhuǎn)矩和物料處理量如表4 所列。

表4 試驗測得平均轉(zhuǎn)矩及處理量

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由表4 可知,轉(zhuǎn)矩與仿真所提取的基本吻合,誤差在 15% 左右。不同磨礦條件下,磨礦噸功耗與磨礦產(chǎn)品細(xì)度的變化關(guān)系對比曲線如圖10、11 所示。

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圖10 噸功耗與 38 μm 粒度篩下含量對比曲線

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圖11 噸功耗與 45 μm 粒度篩下含量對比曲線

由圖10、11 可知,根據(jù)磨礦試驗結(jié)果,使用陶瓷球作為研磨介質(zhì)時,立式螺旋攪拌磨達(dá)到出料粒度標(biāo)準(zhǔn)所需的時間雖然較長,但總功耗比使用鋼球少得多。這是由于陶瓷球介質(zhì)的總質(zhì)量要比鋼球介質(zhì)小,螺旋攪拌器帶動其進(jìn)行運(yùn)動所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小,立式攪拌磨拖動功率也會相應(yīng)減少。陶瓷球表面硬度高,耐磨性強(qiáng),單顆粒介質(zhì)與物料接觸時在微觀上產(chǎn)生的擠壓磨削能力較鋼球強(qiáng),而鋼球的耐磨性較差,磨損后呈不規(guī)則形狀,會對攪拌磨襯板造成較大的損傷,并且在研磨過程中,陶瓷球消耗量比鋼球少很多,具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。在相同的填充率條件下,陶瓷球磨礦噸功耗確實低于鋼球,但同時其磨礦處理量低于鋼球。適當(dāng)提高陶瓷球的填充率時,磨礦噸功耗增加,但處理量會有所提高。

3 結(jié)論

(1) 利用 CFD-DEM 方法建立了流固耦合仿真模型,分析了使用氧化鋁陶瓷球和高鉻鋼球時的磨礦特性,仿真與試驗所得結(jié)果基本一致,陶瓷球磨礦效果要優(yōu)于鋼球。

(2) 在達(dá)到相同出料量的條件下,陶瓷球雖然數(shù)量多,磨礦時間長,但由于其質(zhì)量小,研磨能力強(qiáng),磨礦噸功耗要比鋼球少 25% 左右,節(jié)能效果比較明顯。

(3) 鋼球內(nèi)外硬度不均勻,在研磨過程中會變成不規(guī)則的多面體,對立式螺旋攪拌磨的襯板造成極大的損傷;而陶瓷球內(nèi)外硬度均勻,即便在研磨過程中有磨損,但仍然呈圓球狀態(tài),表面較為光滑,能夠增加螺旋襯板的使用壽命。

 

 

引文格式:

[1]劉俊,劉偉, 薛玉君,等.陶瓷球為磨礦介質(zhì)的立式攪拌磨磨礦特性研究.[J].礦山機(jī)械,2024,52(3):33-38.

 
 
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