立式螺旋搅拌磨矿机颗粒流体特性研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：陈亮（1991），男，汉族，辽宁锦州人，中级职称，本科生，从事矿用碎磨设备项目管理工作。-191-立式螺旋搅拌磨矿机颗粒流体特性研究 陈 亮 季 光 北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110000 摘要：摘要：随着社会的飞速发展，人们对矿产资源的需求也在日益增长。为了满足这种需求，人们开始大规模地开采易选矿石资源。然而，这种开采导致了易选矿石资源的短缺。与此同时，难选矿石资源的开发利用率却在逐年增加。立式螺旋搅拌磨机是一种高效、节能的磨矿设备，它可以应用于金属和非金属的磨矿作业，尤其是在再磨和选矿方面表现出色。但是，对于其颗粒流体特性的研究仍然较少，本文便对此展开讨论。关键词：关键词：立式螺旋搅拌磨矿机；颗粒；流体特性 中图分类号：中图分类号：TF321 由于立式螺旋搅拌磨机在磨矿过程中表现出独一无二的优点，故而引起了人们的广泛重视。其主要优势体现在磨剥离、分层研磨、内部分级、高效和节能等方面，因此在矿业和冶金等行业中得到了广泛的运用。然而，随着工业发展对能源高效利用和环境友好建设的要求不断提高，我们需要更深入地研究物料的细磨甚至超细磨。搅拌磨矿机备受关注和研究，其独特的磨矿理念已经逐渐被更多行业所接受和应用，成为了市场上备受瞩目的新锐磨矿机。在磨矿过程中，分层研磨和物料内部分级，主要借助于矿料颗粒的沉降来实现，对于不同矿料的分离和提高磨矿效率具有积极作用。为了更好地满足工业需求，我们需要对搅拌磨机进行更深入的研究和改进，以实现更高效、更环保的磨矿过程。1 磨矿概述 1.1 磨矿的概念及目的 我国拥有辽阔的领土，并且具备得天独厚的矿产资源优势。丰富的矿产种类和储量，使我国的现代化进程得到了强大的资源支持。但是，在从矿山挖掘的矿石里，绝大多数都是组成复杂、富含众多脉石的贫矿，仅有极少数富集金属的富矿。伴随着现代工业的快速进步，我国对矿产资源的需求量逐渐上升，易选精矿短缺的问题愈加突出。目前，中国拥有大量的贫矿、细矿、杂矿等难选矿产资源。尽管贫矿中富含有价值的金属元素，但因为其中的有用矿物质含量较少且成分繁杂，在进行冶炼提取时，可能会出现高能耗和低生产效益的问题。所以，为了充实和优化矿产资源的供应量，对这些贫矿进行经济、合理的开发，需要在采矿过程中从中挑选出有用的矿料，同时剔除那些覆盖在矿物表面的脉石，确保所得的有价值矿物能满足采矿需求。在自然界里，大多数有用的矿物资源都和脉石紧密相连，其组成元素繁多，并且各自的特性差异显著。所以，如果希望达到分选甚至冶炼的效果，就必须将有价值的矿物与其他物质进行分离。磨矿技术的核心目标就是彻底分离脉石和有价值的矿物。磨矿技术是有效运用贫矿资源的关键方法，同时也是促进中国矿业持久发展的重要驱动力。磨矿是一种关键的加工工艺，可以让固体矿料逐步碎裂，粒度形态得以转变。它在冶炼、煤炭、化学制品及建筑材料等行业占据着不可或缺的地位。利用磨矿处理矿石，可以得到具有特定尺寸和粒径的原料，为工业领域的繁荣发展提供了强大助力。细磨机械的广泛应用，使其能处理各种硬度的物料，并在矿业生产中发挥着关键作用。磨矿的目的表述如下：（1）扩大矿料的表面积，这样能够让化学反应发生得更为彻底，例如，煤矿粉能够增加燃烧效率，水泥能够促进水化并提升混合搅拌后的强度。（2）确保所有物质的混合是均匀的。磨矿指标涉及到精矿品位、矿料回收率，它主要由磨矿过程所决定。在大自然中，仅有极少数的有价值的单体分离矿砂与高品位的矿藏存在，它们无需进行磨碎处理，但这些仅占矿藏总量的一小部分。大部分矿藏则呈现出细粒嵌布的状态，因此，必须借助磨矿设备对矿料进行加工处理，以便于完成分选与冶炼过程。1.2 立式螺旋搅拌磨矿机 1.2.1 运行机理 中国科技期刊数据库 工业 A-192-螺旋式立体混合磨矿机利用颗粒之间的相对摩擦力与互碰作用来进行工作，采用这种技术原理处理粒子，能够实现破碎矿石的效果。这类设备主要由机体、搅拌传动装置、进料口和出料口等部分组成。在机体内部，精心配备了齿状的研磨工具和搅拌板。通过搅拌板的旋转以及齿状设计的研磨工具，能够将矿石颗粒打碎，同时实现均匀混合的目的。这是立式螺旋搅拌磨矿机能够在许多工业领域得到广泛使用的主要原因之一。立式螺旋搅拌磨矿设备的运行机理打破了常规球磨设备的束缚，其已经摆脱了对球体碰撞、滚动的过度依赖性，通过搅拌板的旋转以及齿状磨具的精密磨削便可以粉碎矿石。独特的构造使得搅拌板的旋转轨迹与磨具的齿轮形状成 90 度的夹角，这样的精心搭配使得颗粒之间能够产生更大的摩擦和互碰力，进一步增强了研磨的效果，同时也极大地提高了工作效率。1.2.2 主要特点（1）相较于卧式球磨机，立式磨机的节能表现无疑更为出色，节能率甚至能提高 40%至 60%，这主要得益于其独特的表层磨削方式。卧式球磨机主要依赖磨矿介质的冲击力进行磨矿，但当物料粒度降低时，裂缝减少，冲击法对粒度的细化效果会变得困难。相比之下，立式磨机则更侧重于表面磨剥法，能更有效地实现粒度细化。（2）立式磨机还具有持续微粉碎的能力。由于磨机筒体较高，需要分为上下两个部分，分别是“分级区域”和“磨矿区域”。细粒可以通过湿润的液体或干燥的空气被排除，而粗颗粒则会在磨机内部持续被磨碎。这种独特的构造使得立式磨机能持续大规模制造出均一且符合标准的超细产品。（3）此外，立磨机是一种低速搅拌粉碎矿石的设备，其主要特性包括低振动、低噪音和低热量。这种矿石磨机的运作方式主要是通过摩擦来进行矿石磨制，并且其筒体是静止不动的。对于像振动磨、卧式球磨机、高速冲击磨、砂磨机这样的磨矿机，立磨机的振动程度要远远低于它们，同时在噪声方面的表现也会更好。这使得立磨机在工业制造过程中拥有更强的安全性和稳定性，并且还可以更好地维护环境并减少能源消耗。（4）立式磨机的设计简洁，易于操作和保养，且其占用空间较小，塔形布局使得其占用空间更小。另外，由于其运动负荷较轻、振动较小，所以基础结构也比较简洁，成本降低，只占设备总成本的 10%。另外，使用立磨机进行操作和维护也变得更为便捷，这样可以提高生产效率，降低生产成本。这些特点使得立磨机在工业生产中具有广泛的应用前景。2 颗粒流体特性研究的意义 在磨矿过程中，立式螺旋搅拌磨矿机的颗粒流体特性对于提高磨碎效率和优化产品质量起着决定性的作用。这些相关的探讨不只能够强化对磨矿过程的认识，还能帮助改进磨矿设备的构造与性能。通过对颗粒流体特性的研究，可以对立式螺旋搅拌磨矿机的运行原理有更深的认识，这将为其优化设计和性能改善提供强大的依据。另外，这项研究也能帮助我们预测并管理磨矿流程，增强产品的品质和产出量。所以，对立式螺旋搅拌磨矿机的颗粒流体特性展开进一步探讨，其在理论与应用上都具备极高的价值。3 矿料层降分离磨矿研究 随着工业进步，对能源高效利用和环保建设需求的日益增长，为了充分利用矿业原材料，达到精细化甚至超精细化研磨的目标，对矿石磨制设备提出了更高的要求。而立式螺旋搅拌磨机，具有独特的优势，正是满足这些需求的理想选择。搅拌磨机的特色在于它的分层研磨和物质内部的分级技术。这些技术是在矿料颗粒的沉降过程中完成的，充分体现了搅拌磨机的优秀特性和广泛的适应能力。这给矿业和冶金等领域带来了全新的生机。3.1 非均相物系 在粉体工程领域，非均相系这一概念描述的是由不同物质组成的相，比如那些由液态和固态粒子构成的相系。它是由两个或更多的相组合而成，其中的分散质或内相展现出极致的分散特性，而外相或分散剂则环绕在每一个分散质的周围，构建出连续相。简单来说，分散剂扮演着介质的角色，使得分散质能够均匀地分布在里面。因此，当进行矿物磨矿时，面对各种类型的矿石以及对最终产品粒度标准的不断提高，必须要按照生产流程的规定，筛选出有价值的固相。这时候，就需要对非均相系进行两相分离。在湿式磨矿的流程中，立式螺旋搅拌磨机对矿石源中各种颗粒的矿浆进行研磨。当矿料的粒径满足标准时，会被视为液相；而未经过研磨或粒径不符合要求的矿料则被视为固相。同时，磨矿介质也属于后者。中国科技期刊数据库 工业 A-193-3.2 颗粒的沉降 在磨矿精选过程中，非均相系的分离至关重要，它奠定了有价值固相获取的基础。当我们明确了分离目标后，如何实现固态与液态物质的高效分离，便成为了粉体工程领域的关键任务。借助螺旋搅拌器与立式螺旋搅拌磨矿机，能够直接向磨削介质提供动力。在磨削作用下，密度较大的颗粒会受重力影响向下沉降，而粒径较小的颗粒则会浮向顶部，成功实现两相分离的重力沉淀。此外，螺旋搅拌器的旋转导致分散剂与分散质的密度不同，进而引发离心效应。在离心效应的影响下，非均质相系有可能进行沉淀与分离。正是这种高效的分离技术，为粉体工程领域提供了重要的技术支持。3.2.1 重力沉降分离 在非均相系中，受到重力影响，分散质会从分散剂中沉淀并分离。这个过程被称为重力沉淀，其中涵盖了分散质所承受的重力、流体的阻力和浮力等复杂的物理概念。地球的引力、空气的阻力和浮力都会对下沉的分散质产生影响。在各种力的联合作用下，分散质的下沉速率和路径会产生逆向拉锯过程。就像一片羽毛在空气中下沉，重力使它向下，而空气的阻力和浮力则试图阻止其下沉。这个过程就像一场博弈，各种力共同决定了沉降的最终结果。总的来说，重力沉淀是一个涉及多种物理因素的过程，需要综合考虑各种力的影响。在立式螺旋搅拌磨机中，矿石颗粒在分散剂里慢慢下沉，这个过程是由多重力共同推动的。首先，颗粒需要承受由其本身产生的 G，这是一种一直垂直向下的力。此外，它还承受着浮力 F 的影响，这个力量与重力形成鲜明的对比，是一种向上的力。此外，当颗粒在液态环境下沉降时，还会受到液相阻力S的影响，这个阻力会随着粒子的速度提高而增大。假如粒子在下沉的过程中没有被研磨，那么重力 G 和浮力 F 的数值就是稳定不变的。对于球状的颗粒来说，它们承受的重力 G 是：G=d36sg（1）在分散剂流体中，分散质所承受的浮力 F 表示如下：F=d36g（2）流体中的颗粒沉降所遇到的阻力 S，是由颗粒自身的粗糙程度、尺寸、形态、沉降速率、液相密度以及黏度等因素共同决定的，可以根据牛顿阻力定律来确定 S：S=CDu22d24（3）d为颗粒直径，s、分别代表颗粒以及流体的密度，u 代表颗粒沉降速度，CD为阻力系数，d24代表球形颗粒在沉降方向上的投影面积。当 G、S 和 F 三种力达到平衡时，分散质颗粒会在分散剂中进行等速移动。此刻，将颗粒下沉的速率定义为沉降速度 u，其公式推导过程如下：G=F+S（4）联合（1）（4）可得：d36sg=d36g+CDu22d24（5）由此可得沉降速度：u=4g（s）3CD 3.2.2 离心沉降分离 离心沉降是一种借助惯性离心力来实现颗粒沉降的过程。重力沉降是惯性力产生的根源，同时，重力是分散质颗粒的基本属性之一，其大小会受到一定的限制，因此产生的效果也相对较小。为了优化立式螺旋搅拌磨机的生产效能，可以通过提升其惯性力和减小其阻力，使得沉降速度得到提升。受到离心力场的影响，固态颗粒的惯性离心力 C可以表示如下：C=Gul2gR（6）R 为颗粒距回转中心的距离，ul代表颗粒圆周切向速度。根据前述公式，能够推断出离心惯性力大于重力惯性力。故而可以把它转换成：C=mul2R=6d3sul2R（7）螺旋搅拌器为立式螺旋搅拌磨机提供了驱动力，可以推动磨矿作业。由于矿料在筒内进行了圆周运动，因此它们所占用的空间产生的向心力Fn会妨碍它们进行离心运动：Fn=6d3ul2R（8）在惯性离心力的影响下，颗粒需要抵抗向心力，同时也需要抵抗阻碍它们运动的流体阻力 F。相应的重力沉降阻力等式表述如下：F=(4d2)ur2R（9）中国科技期刊数据库 工业 A-194-表示阻力系数，表示流体与颗粒在径向上的相对速度。当粒子的离心力、向心力以及阻力达到均衡时，粒子与分散剂液相的径向相对速率，即为粒子在此位置的离心沉降速率：=+（10）结合（7）（10）可得：632=632+(42)2 经简化可得：=4（）32 4 立式螺旋搅拌磨矿机在磨矿工艺中的应用 在磨矿行业，立式螺旋搅拌磨矿机展现出了明显的优点，并且已经得到大范围应用。这是一种创新的磨矿工具，它的构造简洁，磨矿效果显著，特别适合在非金属矿物的磨矿、陶瓷材料的磨碎和粉末冶炼等行业应用。如在非金属矿产的磨矿过程中，立式的螺旋搅拌研磨设备能够高效地对硅石、滑石、云母、膨润土等矿物进行研磨，通过调整搅拌板的旋转以及使用齿状的磨削工具，可以磨碎矿料，以满足所需的细度。在处理陶瓷材料的过程中，立式螺旋搅拌磨矿机的使用也十分普遍，能够达到高效磨碎和均匀混合的效果。5 总结 综上所述，立式螺旋搅拌磨机通过实施分层磨削，使介质的表面压力随着筒体的高度递减而递增，并且通过重力的自然沉降以及离心惯性力沉降，可以将分散质物料进行分级处理，这样就能够避免过度磨削。同时，粗糙的颗粒会被吸入磨机筒体中介质填充底层，有利于达到更好的磨矿效果。参考文献 1杨韧华,杜文平,宋坤.JM2200BF 型立磨机在德兴铜矿尾矿回收厂的应用J.铜业工程,2021(3).2惠世和,李广利,高连启,等.WTM-280 塔磨机在某选矿厂的应用J.云南冶金,2023(1).3李椿楠,李国峰,刘立伟,等.搅拌磨机的研究及应用现状J.矿产综合利用,2021(4).