立式搅拌球磨机最优化参数的仿真与试验

许维维，魏镜弢，杨　杰，李爱玲

(昆明理工大学，云南 昆明 650093)



立式搅拌球磨机最优化参数的仿真与试验

许维维，魏镜弢，杨杰，李爱玲

(昆明理工大学，云南 昆明 650093)

摘要：引入离散元仿真技术对立式搅拌球磨机进行了仿真研究，旨在探索介质球配比对-200目矿粒产量的影响，得出介质球的不同配合比例对能量转化率的影响。应用EDEM软件对磨机内介质球的运动情况进行了仿真，得到了介质球和矿料在不同时刻的能量变化和速度变化情况。将铂钯矿进行了分组试验，得到了-200目矿粒的产量，与EDEM软件仿真的结果进行对比，验证了结论的正确性，为立式搅拌球磨机的工作参数优化提供了参考依据。

关键词：立式搅拌球磨机；离散元法；介质球；细磨

立式搅拌球磨机又叫塔磨机，现已被广泛地应用于涂料、化工、医药和冶金等诸多领域。在矿物的粉磨领域中，其与常规的普通卧式球磨机相比，具有粉磨效率高、产品粒度细、颗粒均匀和节约球磨介质(较卧式球磨机节约磨球20%～30%)等优点[1]。然而立式搅拌球磨机的磨矿效率主要受下述5个因素影响：矿料参数、立式搅拌球磨机的机械结构部分以及运行参数、介质球、助磨剂以及磨矿环境体系。本文主要通过对介质球的配比进行研究优化，为实际生产中立式搅拌球磨机的细磨效率、能耗等方面提供一些研究结论。

1立式搅拌球磨机的结构参数

1.1筒体

本文采用的立式搅拌球磨机的筒体容积为3 L，筒高为210 mm，筒体内径为70 mm，筒壁厚7 mm，其筒径比为3∶1。筒壁的材料采用不锈钢。

1.2螺旋器

本文采用单头螺旋线搅拌器，螺旋导程为77 mm，螺旋外经为77 mm，计算得螺旋升角为26.8°[2]。

1.3介质球的配比

在长期的实际生产中，总结出了如下几种介质配比方法[3]：给料粒度组成相关法、等比重法、质量直径比法和等表面积法等。设介质球的密度相同且为ρ，混合矿料分成A、B等2个窄级别，质量百分含量分别为p1、p2。对应于窄级别A、B的2种最佳尺寸介质球数分别为N1、N2；介质球直径分别为d1、d2；质量分别为m1、m2。

1)给料粒度组成相关法的计算公式如下：

(1)

(2)

联立式1和式2，得：

(3)

2)等比重法的计算公式如下：

(4)

3)质量直径比法和等表面积法的计算公式如下：

(5)

即：

(6)

(7)

通式得：

(8)

通过对介质球大小的研究，本文采用直径为10和8 mm的2种介质球的质量配比方法来进行研究，分别选取1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1等5种配比方案。选取的螺旋搅拌器转速为270 r/min，磨球的平均孔隙率为0.38，介质密集率为0.62，填充率为60%，介质球以及矿料的质量见表1。

表1　不同配比介质球和矿料的质量

2介质球配比的磨矿仿真分析

2.1介质球配比对能量转化率的影响

不同的介质球配比使介质球和矿料在转速为270 r/min和填充率为0.6时能够获得不同的能量，通过仿真提取出搅拌器的功率值和介质球及矿料的动能值，研究介质球配比对能量转化率的影响，进而得到合理的介质球配比方案。通过仿真得到螺旋搅拌器的转矩值见表2。

表2　搅拌器转矩数值表

表3　搅拌器功率数值表

根据表3可知，单位时间内在不同的介质球配比下，功率值P对应的介质球和矿料的动能E见表4。

表4　介质球和矿料的动能数值表

由表3和表4可以得到两者之间的转化率φ(见表5)。

表5　能量转化率数值表

根据表2～表5数据，做出介质球配比与搅拌器转矩、搅拌器功率、介质球和矿料动能以及能量转化率的直方图如图1所示。

图1　介质配比与转化率、动能、转矩以及功率的关系

由图1可得，当介质球配比为1∶1时，搅拌器的转矩和功率、介质球和矿料的动能以及转化率都达到较佳情况，因此，在介质球配比为1∶1时球磨机的粉磨效果最佳。

2.2磨机内介质球运动分析

通过上述数据分析，选择填充率为0.6，转速为270 r/min，螺距为67 mm，介质配比为φ10∶φ8=1∶1的介质球进行运动分析。

2.2.1磨机内介质球的运动

通过仿真得到整体的速度矢量图如图2所示。

图2　速度矢量图

根据图2可知，在螺旋搅拌器的带动下，介质球和矿料的速度值为0.1≤v≤1.0 m/s，在螺旋搅拌器上表面周围的速度较高，说明了这个区域的介质球和矿料获得的动能较大，磨矿效果明显；而筒底的速度很小，只通过介质球挤压来进行矿料的粉磨，因此效果不佳，但可以通过调节研磨罐与螺旋搅拌器的相对位置来提高平均动能。

2.2.2磨机内介质球和矿料能量的分析

介质球和矿料的动能-时间关系图如图3所示。

图3　动能-时间关系图

由图3可知，在开始时给予介质球和矿料-5 m/s的初始速度，在介质球和矿料快速到达筒底并堆积时，动能急剧增大，进而在0～0.5 s内，介质球和矿料的动能先急剧增加，然后急剧减少。在颗粒产生完成并堆积到筒体内部时动能为0[4]。在0.5 s时，螺旋搅拌器开始旋转，动能增加；在0.6～3 s时，系统动能到达一个相对稳定的状态，整个稳定状态的平均动能E约为3.259×10-5J。

3试验验证

3.1试验设备和矿料

本试验使用的设备为研磨罐体积为3 L的立式搅拌球磨机，转速为40～500 r/min，可变频调速；电子称1台；大小为28、32和200目的手动标准筛；直径分别为10和8 mm的2种介质球。所研磨矿料为某铂金含量为3 g/t的铂钯矿粒(莫氏硬度为7，密度为4 120 g/cm3)。

3.2介质球配比对粉磨矿料粒度的影响

本试验介质球配比按照质量比分别为1∶0、2∶1、1∶1、1∶2和0∶1等5种情况，搅拌器转速为270 r/min，填充率φ=60%，介质球与矿料的质量5∶1。每次粉磨时间为30 min。试验所得数据见表6。

表6　试验所得数据表

从表6中可以看出，当只有单介质时，-200目磨粒的产量都比较低；当2种介质球质量比为1∶1时，得到-200目的质量最多[5]。

4结语

对于该立式搅拌球磨机，当2种介质球的质量比m10∶m8=1∶1时，其研磨效果最好，螺旋搅拌器的能量转化率最大，对矿料的研磨效果最好。由磨机粉磨铂钯矿的试验可知，当介质球质量配比为1∶1时，-200目磨粒的产量达到最大，验证了理论与仿真结果的正确性。

参考文献

[1] 张国旺.立式搅拌球磨机在工业中的应用[J].金属矿山,1998(9):36-38.

[2] 夏恩品,董为民,应灵灵.影响球磨机介质运动规律主要因素的试验研究[J].矿山机械，2009(19)：60-63.

[3] 夏恩品,等.球磨机磨矿介质配比的试验研究[J].矿山机械，2010(1):82-85.

[4] 唐果宁，岳文辉，陈平.离心磨矿机分批产品粒度分布模型研究[J].矿山机械,2002(4):23-24.

[5] 张国旺，等.立式螺旋搅拌球磨机在铁精矿再磨中的应用[J].金属矿山，2010(5):93-95.

责任编辑郑练

The Simulation and Experiment of the Vertical Stirring Ball Mill Optimal Parameter

XU Weiwei, WEI Jingtao, YANG Jie, LI Ailing

(Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Abstract：Element simulation technology is introduced to the simulation research on the vertical stirring ball mill. In order to explore the influence of the medium-ball mix proportion to the -200 mesh ore grain production, obtain the influence of the different medium-ball mixing proportion to the effect of energy transformation ration. The medium-ball movement in the mill is simulated by the EDEM, the energy change and speed change of the medium-ball and the material in different moment are obtained. The production of -200 mesh ore grain is got by the platinum-palladium ore grouping experiment. Compared with EDEM software simulation results， the correctness of the conclusion is validated， and the reference for the vertical stirring ball mill optimal parameter is provided．

Key words:vertical stirring ball mill, distinct element method, medium-ball, fine grinding

收稿日期：2015-10-09

作者简介：许维维(1991-)，男，硕士研究生，主要从事立式搅拌球磨机等方面的研究。

中图分类号：TD 453

文献标志码:A