GN8型搅拌磨机产品粒度分布宽度的影响因素研究

黄业豪，李茂林，2，王　旭，徐寒冰

(1.武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；2.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

GN8型搅拌磨机产品粒度分布宽度的影响因素研究

黄业豪1，李茂林1，2，王旭1，徐寒冰1

(1.武汉科技大学 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081；2.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

摘要：为了研究GN8型搅拌磨机的磨矿效果，运用Rosin-Rammler分布函数分析了搅拌器转速、矿浆浓度和介质充填率对磨矿产品粒度分布宽度的影响规律。研究结果表明，增加搅拌器转速或介质充填率，有利于降低磨矿产品的粒度分布宽度；矿浆浓度在45%～60%范围内，其对磨矿产品的粒度分布宽度无影响。

关键词：Rosin-Rammler分布函数；影响因素；粒度分布宽度；搅拌磨机

搅拌磨机广泛地应用于矿业、颜料、化工、建材、农业、医药等众多领域的细磨、超细磨作业[1]。搅拌磨机主要由搅拌轴、搅拌叶轮和研磨室构成，在搅拌轴搅拌的过程中，搅拌叶轮带动研磨介质和研磨物料，通过冲击、剪切、摩擦等多种形式的作用力达到粉碎物料的目的[2]。搅拌磨机在选矿厂一般用于再磨作业，产品粒度通常较细，产品的粒度组成对后续作业有一定的影响，例如：磨矿产品的粒度组成对旋流器[3-4]、超细粉体分级器[5]等分级设备的分级效率有一定的影响，并且对一些矿石的浮选效果有一定的影响[6-7]。因此，研究搅拌磨机的磨矿产品粒度分布宽度的影响因素对生产实践有一定的指导意义。

1试验原料、设备及方法

1.1试验原料和设备

试验原料为市售石英粉，d50为61.756μm，各级粒度组成见表1，粒度特性曲线如图1所示。磨矿设备为GN8型卧式搅拌磨机(结构示意图见图2)，装机电机为5.5kW，搅拌叶轮直径为0.14m，最大转速可达2900r/min，转速连续可调；研磨介质选择1mm刚玉球，比重为3.91g/cm3；粒度分析设备为Mstersizer2000型激光粒度分析仪。

1.2关于Rosin-Rammler函数

研究粉体粒径分布的模型有多种，其中比较有代表性的是Rosin-Rammler函数[8-9]。可根据Rosin-Rammler函数中的分布系数的数值大小来反映颗粒分布的宽度[10]，这样就可以将颗粒粒度的分布宽度数据化，便于研究与分析。Rosin-Rammler函数的表达式如式(1)、式(2)所示。

表1　原料粒度组成

图1　原料粒度特性曲线

图2　GN8型卧式搅拌磨机结构示意图

(1)

(2)

式中：R为粒径d(μm)筛上含量百分数，%；de为特征粒径，表示筛上累计为36.8%对应的颗粒直径，μm；n为均匀性系数，n值越大，粒径分布范围越窄。

式(2)是线性“lnln-ln”方程，可以通过线性方程的斜率直观的看到均匀性系数n的大小，但是式(2)是由式(1)经过两次对数求解转化后得到，这样会产生一定的误差，尤其在边缘区域则不完全正确[11]。因此，为了减小n值的误差，需要对边缘区域的数据进行取舍。为此，讨论lnln(100/R)随R变化的变化率(式(3))，即d[lnln(100/R)]/dR随R变化而变化的数值大小，如图3所示。

(3)

图3　d[lnln(100/R)]/dR随R变化趋势

由图3可以看出，在R∈(0，2)和R∈(96，100)范围内，尤其是R趋近于0和100的时候，d[lnln(100/R)]/dR会出现急促的变化，也就是说R的一个极小的测量误差会导致d[lnln(100/R)]/dR发生巨大的变化，这样也会导致线性“lnln-ln”方程的误差增大，从而n的值也会不准确；因此为了保证n值的误差尽量的小，R值的选择应该在d[lnln(100/R)]/dR变化较为平缓的区域，即R∈(2，96)。

1.3试验方法

在试验过程中给矿量和磨矿时间保持不变，每次给矿2.5kg，磨矿时间为25min。通过改变搅拌器转速、矿浆浓度和介质充填率3种参数，得到磨矿产品，缩分后进行激光粒度分析。

首先要对分析的数据进行选择，数据选择原则是累计分布R∈(2，96)，然后对选择的数据进行回归分析，得到 “lnln-ln” 线性方程。以原矿为例(后面的各数据的选择和分析原则与之相同)，各级别微分分布和负累计分布见表1，所取累计分布R的取值为2.056875～95.79767，与R对应的d的取值为2.820342～300.9044，将这些数据进行“lnln-ln” 线性方程回归，可得到原矿的线性曲线，见图4。

由图4可以看出这些数据点可以回归成为线性方程y=0.94972x-4.33137，相关系数的平方和R2为0.99551，说明石英原矿的粒度组成能够较好的符合Rosin-Rammler函数分布，将该线性方程转化为“lnln-ln”方程为式(4)。

(4)

该线性方程的斜率为0.94972，也就是说均匀性系数n对应的值就是0.94972。

2试验结果与分析

2.1转速对粒度分布的影响

保证介质充填率为40%，矿浆浓度40%，搅拌器的转速作为变量。将磨矿产品烘干缩分后进行粒度分析，然后选取数据进行回归分析，得到不同转速下磨矿产品粒度组成的“lnln-ln” 线性方程，见图5。

图4　原料粒度组成的“lnln-ln” 线性方程

图5　不同转速下磨矿产品粒度组成的“lnln-ln” 线性方程

由图5可知，随着搅拌器转速的提高，相关系数的平方和R2也逐渐降低，即线性关系逐渐恶化，但粒度组成依旧能够较好的符合Rosin-Rammler函数分布。搅拌器在不同的转速下得到的产品粒度组成不同，均匀性系数也不同，在图6中可以看出，随着搅拌器转速的提高，磨矿产品的均匀性系数增加较快，说明提高搅拌器转速能够有效的降低磨矿产品的粒度分布宽度，但是随着随着搅拌器转速的增加，能耗也会不断增加，在本试验研究中，当搅拌器转速超过1740r/min后，均匀性系数增加幅度不大，所以搅拌器转速以不超过1740r/min为宜。原因有以下两点：第一，搅拌器的转速影响搅拌器周围的能量密度的分布[12]，转速越高，搅拌器周围的能量密度就会越大，分布范围也会增大，搅拌器周围的能量密度超过矿物粉碎所需要的能量密度的区域称为粉碎区域，随着搅拌器转速的提高，粉碎区域的范围也会增加；第二，随着搅拌器转速的提高，矿浆在研磨室内的离心运动作用也就增强，粗颗粒向研磨室内壁靠拢，研磨介质也向研磨室内壁靠拢，这样就增加了粗颗粒的粉碎几率。

图6　不同转速下磨矿产品的均匀性系数

2.2矿浆浓度对粒度分布的影响

介质充填率为40%，根据上文的讨论，要确保研磨室内有足够的能量密度，确定搅拌器转速为1740r/min，矿浆浓度作为变量。将磨矿产品烘干缩分后进行粒度分析，然后选取数据进行回归分析，得到不同矿浆浓度下磨矿产品粒度组成的“lnln-ln” 线性方程，见图7。

通过图7可以看出，在不同矿浆浓度下所得到的磨矿产品粒度组成的“lnln-ln” 线性方程的斜率基本相同，从而得知在不同矿浆浓度下所得到的磨矿产品粒度组成均匀性系数基本一致，说明矿浆浓度对GN型卧式搅拌磨机的产品粒度分布宽度影响不大。但是为了提高磨机的处理量，可适当提高磨矿浓度，在本试验研究中选择磨矿浓度范围为55%～60%比较合适。

2.3介质充填率对粒度分布的影响

矿浆浓度40%，搅拌器转速为1740r/min，介质充填率作为变量。将磨矿产品烘干缩分后进行粒度分析，然后选取数据进行回归分析，得到不同介质充填率下磨矿产品粒度组成的“lnln-ln” 线性方程，见图8。

图7　不同矿浆浓度下磨矿产品粒度组成的“lnln-ln” 线性方程

图8　不同介质充填率下磨矿产品粒度组成的“lnln-ln” 线性方程

由图8可知，随着介质充填率的提高，相关系数的平方和R2也逐渐降低，说明线性关系逐渐恶化，但粒度组成依旧能够较好的符合Rosin-Rammler函数分布。在不同的介质充填率下得到的产品粒度组成不同，均匀性系数也不同，在图9中可以看出，随着介质充填率的提高，磨矿产品的均匀性系数增加较快，说明提高介质充填率能够有效的降低磨矿产品的粒度分布宽度，但是不断增加介质充填率，磨机的有效体积会不断降低，处理量也会相应减小，因此在本试验研究范围内，介质充填率在55%～60%范围内比较合适。这是由于在研磨介质尺寸不变的情况下，应力事件次数(有效碰撞次数)与介质充填率成正比例关系[13]，即随着介质充填率的增加，应力事件次数成比例的增加，加快了粗颗粒矿物的磨细，从而降低了磨矿产品的粒度范围。

图9　不同介质充填率下磨矿产品的均匀性系数

3结论

在本文试验研究范围内，研究结果表明，增加搅拌器转速或介质充填率，有利于降低磨矿产品的粒度分布宽度；矿浆浓度在45%～60%范围内，其对磨矿产品的粒度分布宽度无影响。在生产实践中，可以尝试通过提高搅拌器的转速和增加研磨介质的充填率均来有效的降低磨矿产品的粒度分布宽度，但是为了降低能耗并提高磨机处理量，搅拌器转速以不超过1740r/min为宜，介质充填率在55%～60%范围内比较合适；由于磨矿浓度对磨矿产品的粒度分布宽度影响不大，所以在保证粒度分布宽度变化幅度不大的前提下，可选择55%～60%的磨矿浓度进行磨矿作业以提高磨机处理量。

参考文献

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Influence factors of particle size distribution width of GN8 stirred mill product

HUANGYe-hao1，LIMao-lin1，2，WANGXu1，XUHan-bing1

(1.KeyLaboratoryOfEfficientUtilizationofMetallurgicalMineralResourceandAgglomerationofHubeiProvince，WuhanUniversityOfScienceandTechnology，Wuhan43081，China；2.ChangshaResearchInstituteofMiningandMetallurgyCo.，Ltd.，Changsha410012，China)

Abstract:The effects of stirrer discs speed，slurry density and filling ratio of grinding media on the size distribution width are analyzed by Rosin-Rammler distribution function to study the grinding effect of GN8 stirred mill.The results indicated that increasing the the stirrer discs speed or the filling ratio of grinding media is advantage to reduce the size distribution width of the grinding product.And in the range of 45% to 60%，the slurry density is no effect on the size distribution width of grinding product.

Key words：Rosin-Rammler distribution function；influence factors；size distribution width；stirred mill

收稿日期：2015-06-10

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目资助(编号：2007BAB15BO1)

作者简介：黄业豪(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为微细粒磨矿与分级技术。E-mail：huangyehao168@163.com。

中图分类号：TD453

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)04-0115-05