立式搅拌磨机磨矿机理研究进展

2022-05-16李海森孟庆有袁致涛

中国矿业 2022年5期

李海森，孟庆有，袁致涛

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

随着资源的不断开发利用，我国易处理、高品位的矿产资源逐渐枯竭，“贫、细、杂”等难处理的矿产资源开采有所增加[1-2]。为满足后续分选要求，需要将嵌布粒度细的矿石磨至细粒级甚至超细粒级，以达到有用矿物与脉石矿物的有效解离。传统卧式球磨机在进行矿石细磨和超细磨时，磨矿效率低、能耗高，且磨矿成本较高，不能高效达到选别所需磨矿细度[3-5]。因此，亟需一种更加高效的磨机来代替卧式球磨机完成矿石细磨作业[6]。立式搅拌磨机作为效率高、低能耗的研磨设备，逐步进入大众视野，被广泛应用于矿物加工、煤炭、化工、医药、食品等行业中。

立式搅拌磨机的概念最早在20世纪20年代末被提出，发展至今已被广泛运用于各个领域。在矿山行业中，立式搅拌磨机主要应用在金属矿山和非金属矿山的精矿再磨作业和第二段、第三段磨矿作业[7-8]。相比于传统的卧式球磨机而言，立式搅拌磨机具有较高的能量利用率，其节能效率可提高30%～50%，且立式搅拌磨机具有较低的钢球和衬板消耗，能有效降低磨矿作业的运行成本[9-10]。为充分认识立式搅拌磨机磨矿机理，提高其磨矿效率，学者对立式搅拌磨机的工作原理、研磨方式以及磨机关键参数进行了大量研究。本文归纳总结了立式搅拌磨机的磨矿机理以及关键参数对磨矿效率的影响，以期对立式搅拌磨机的磨矿机理研究以及结构优化提供借鉴。

1 立式搅拌磨机运行工作原理

根据搅拌器类型，立式搅拌磨机主要分为螺旋式搅拌磨机、盘式搅拌磨机、棒式搅拌磨机[11]，其中立式螺旋搅拌磨机运用最为广泛，立式螺旋搅拌磨机结构示意图如图1所示。

立式螺旋搅拌磨机工作时，电动机搭配减速器带动搅拌器转动，使介质和矿浆在筒体内做多维循环运动和自由旋转运动[12-14]。介质在离心力作用下往筒壁靠近，同时介质沿搅拌器上升至一定高度后从筒体和搅拌器的间隙中落下，形成一个整体循环。搅拌器旋转运动会使叶片下表面出现空区，物料和介质进入空区并在搅拌器作用下上升至一定高度后从筒体和搅拌器之间的空隙落下，形成局部循环。循环运动加强了介质之间的相互作用，增加了物料与介质的接触几率，这种碰撞使得搅拌器传递给介质的能量转变成破碎物料颗粒的能量，从而实现物料的破碎[15-17]。同时，由于搅拌器的提升作用，合格粒级物料在搅拌器产生的上升水流的作用下从排料口排出，不合格粒级物料在重力作用下向下层区域回落继续被研磨，实现物料的粗细分级，所以搅拌磨机具有防止过磨的特点[18]。

图1 立式螺旋搅拌磨机结构示意图Fig.1 Vertical spiral stirred mill structure diagram

2 立式搅拌磨机磨矿机理

立式搅拌磨机优越的磨矿性能得到了国内外各个行业的广泛关注，学者结合多种方法(表1)对立式搅拌磨机的磨矿机理进行了研究，从传统静力学计算到计算机模拟技术运用，学者对于立式搅拌磨机磨矿机理的研究取得了一定程度进步。

表1 常用研究方法及其研究内容和探究结果Table 1 Common research methods,research contents and research results

2.1 立式搅拌磨机内研磨理论研究

国内外学者对立式搅拌磨机研磨机理进行了大量的研究，从运动学和动力学两方面分析了立式搅拌磨机内部介质与物料的受力情况、碎磨方式以及内部能量转化，其理论研究成果为后续搅拌磨机的结构优化和模拟仿真提供理论指导。

国外对搅拌磨机的研究起步较早，KWADE等[19-21]对立式搅拌磨机碎磨机理进行了研究，分析了物料与介质作用时的应力强度及参与破碎的颗粒数量，提出了SN(矿石颗粒与介质碰撞的总次数)和SI(矿石颗粒与介质碰撞的应力强度)是评价磨矿效果好坏的关键指标和评价因子。增加搅拌速度与填充率会增加颗粒与颗粒以及颗粒与介质之间的碰撞概率，增加物料破碎的次数，配合较大的搅拌速度和介质密度，使物料受到的来自其他物料以及介质的应力足以克服物料本身的应力，实现物料的破碎。SI是物料能发生破碎的前提，而SN是物料发生破碎的碰撞次数，两者共同决定磨矿效果。

BECKER[22]在KWADE研究基础上对搅拌磨机内不同材料介质破碎物料时的能量转移进行了研究，将物料和介质之间的碰撞用无阻尼弹簧-质量模型描述。研究发现，碰撞过程中能量分配与介质和矿物的杨氏模量有关，介质与物料杨氏模量的比值越大，介质所受应力强度SI越小，破碎物料的能量占比也将减小。因此根据磨矿介质与物料的杨氏模量提出了破碎能量分配系数，得出破碎物料所需的能量Ep。

国内学者对立式搅拌磨机磨矿机理也进行了相关研究。王鑫等[23]分析了搅拌器直径范围内外两个部分空间中的介质运动规律以及物料所受剪切应力的大小，结果表明介质间存在速度差，搅拌器边缘与筒体内壁处速度梯度最大，搅拌器转速和直径以及颗粒粒度的大小影响搅拌磨机内矿石颗粒所受的剪切应力。任廷志等[24]对立式螺旋搅拌磨机工作机理进行了研究，发现磨机的研磨力主要来自离心力和重力。增加搅拌器转速，物料所受离心力增大，搅拌器和筒体内壁对矿粒的支持力、摩擦力变大，颗粒间的碰撞概率增大，磨矿效率增加；转速过高会造成物料和介质绝对速度增加，其轴向运动分量增大，磨机内循环运动增强，运输物料和介质的能量占比增大，进而降低磨矿效果。

2.2 立式搅拌磨机研磨机理数值模拟研究

随着计算机技术的发展，计算流体动力学(CFD)、离散单元法(DEM)和正电子发射颗粒跟踪技术(PEPT)等仿真技术被开发应用[25-26]，对物相间相互作用的模拟计算和可视化功能被广泛应用于搅拌磨机的研究中[27-28]。通过对立式搅拌磨机的模拟，能够直观地观察到搅拌磨机工作过程中磨矿介质和矿浆的运动状态，获得磨机内部的能量耗散以及磨机构件的受力分布等信息，可以用以验证与分析搅拌磨机磨矿机理[29-30]。

SINNOTT等[31]利用三维离散单元法研究了立式螺旋搅拌磨机和立式棒式搅拌磨机内部的介质运动状态、介质能量分布和能量吸收率，分析了磨矿介质在不同高度和半径位置处的径向速度、切向速度和轴向速度。结果表明，在不同高度位置介质切向速度与搅拌器转动方向一致，轴向速度、径向速度保持平衡。在不同半径位置上，在搅拌器直径范围内的介质，其轴向速度向上，并且随半径位置变大速度增大；在搅拌器直径范围外的介质，其轴向速度向下，并且随半径增大速度减小。研究表明介质在搅拌器的带动下，搅拌器直径范围内的介质向上运动，而搅拌器直径范围以外区域介质向下运动，形成介质和物料在筒体内的循环和旋转运动过程。对于螺旋搅拌磨机，能量吸收率最大的区域为搅拌器外缘；棒式搅拌磨机能量吸收率最大的区域为搅拌器底部。

DARAIO等[32]采用PEPT示踪法对立式棒式搅拌磨机进行了研究，分析了在不同搅拌速度、叶轮间隙(叶片底部与筒体底部之间的空间)和填充率条件下磨机内部介质的运动情况。从介质的速度大小、速度矢量和占有率这三个方面分析发现，搅拌速度影响筒体内部的循环运动，尤其是下部循环运动，高转速会强化下部介质循环运动的形成，强化循环作用；增加叶轮间隙会增加介质在筒体底部的停留时间，增大死区空间；磨机在不同填充率时介质的最大速度几乎不变，但高填充率会导致能耗增加。

刘丹[33]通过CFD数值模拟方法分析了立式搅拌磨机中矿浆的运动状态，并结合Workbench软件中的结构分析模块进一步分析了磨矿过程中螺旋搅拌器的受力和变形情况。研究表明，物料在螺旋搅拌器叶片边缘的速度最大，当物料运动到筒体内壁时速度会急剧减小，在整个磨矿过程中螺旋搅拌器的下层以及螺旋搅拌器的外缘受到的压力较大；立式搅拌磨机转速较小，不会引起搅拌器共振以致损坏，但转速过大时，最易发生变形的位置为搅拌器边缘以及搅拌轴顶部。

王鑫[34]采用离散单元法对立式搅拌磨机筒体内介质运动状态进行了研究，通过法向和切向两个方向上介质颗粒的重叠量分析了立式螺旋搅拌磨机的磨矿机理。通过研究得出介质和物料的动能是在高频的剪切作用和较少的摩擦作用下转化为物料破碎的能量。不同搅拌器转速、介质填充率、螺旋升角的数值模拟结果表明，在临界转速以下时，转速越大，磨矿效果越强，立式螺旋搅拌磨机内的SI增大，但SN变化不大，同时搅拌器所受到的扭矩变化不大，立式搅拌磨机的磨矿效率增加；当增加填充率时，立式搅拌磨机内的SI降低，SN增大，搅拌器所受到的扭矩和磨机的功率急剧增加，磨矿效率降低；增加螺旋升角，立式螺旋搅拌磨机内的SI、SN降低，磨矿效率减弱。

李凯[35]利用离散单元法对立式搅拌磨机磨矿过程进行了模拟，分析了磨机内介质的运动状态与搅拌器和筒体内壁上的接触能量累积分布。结果表明，随着筒体深度的增加，磨机内的接触能量累积增大，搅拌器外缘处和筒体下层衬板接触能量明显大于搅拌器其他区域，表明磨机内下层和搅拌器外缘区域磨矿效果最好，但也是磨损最严重的区域，这与吕谦等[36]的研究结果相符。

2.3 立式搅拌磨机工作参数与结构参数

立式搅拌磨机的工作参数与结构参数影响物料与介质间的相互作用，两者共同决定了立式搅拌磨机的磨矿效率(图2)。

图2 工作参数、结构参数与磨矿效率关系图Fig.2 Relationship between working parameters,structural parameters and grinding efficiency

2.3.1 搅拌器转速

搅拌器转速是立式搅拌磨机的一个重要参数。JANKOVIC[37]研究发现增大搅拌速度会增加筒体内磨矿介质速度，且搅拌器转速与搅拌器的总牵引力成正比。MARUF等[38]进一步验证了这一实验结果，并且发现当搅拌器转速增加时，搅拌器转矩呈非线性增加，增大搅拌器转速会使磨矿介质流态化，螺杆所需施加的力减小，降低了搅拌磨矿介质时所需的扭矩。JANKOVIC后续进行了不同搅拌器转速的能耗实验，发现在磨机正常工作时，搅拌器转速越低，磨机的能量效率越高。

董方[39]通过建立以搅拌轴为z轴的三维坐标系，对立式搅拌磨机内部的磨矿介质和矿料运动状态及受力情况进行了数学建模，通过计算发现搅拌器转速会影响筒体内矿料颗粒和磨矿介质的线速度，减小搅拌器转速，矿料之间的线速度差减小，矿料之间的相互作用减弱，磨矿效果变差。但转速过大同样不利于增强磨矿效果，转速过大时矿料、介质、水会发生分层或分离，大的固体颗粒在离心力作用下被甩到筒内壁，且沿内壁滑到底部，降低矿料和介质之间的剪切碰撞概率。另外，轴心部分会出现旋涡，降低被搅拌矿料的表观密度，使得搅拌功率急剧下降。高转速还会增加磨机的功率消耗，加剧搅拌器、衬板和磨矿介质的磨损，降低磨机的能量利用率。在实际生产中，搅拌器边缘速度控制在3～5 m/s范围内，以提高立式螺旋搅拌磨机能量利用率和磨矿效率。

2.3.2 介质填充率

介质填充率是筒体内填充介质及其空隙所占体积和筒体有效容积的百分比。与传统球磨机相比，立式搅拌磨机的介质填充率较高，前者一般在45%左右，后者最高可以达到80%[40]。较高的介质填充率使矿料和介质之间接触更加频繁，这也是立式搅拌磨机高效的原因之一。肖正明等[41]研究发现，磨机内碰撞次数和总碰撞能随填充率的升高而增大，碰撞次数和总碰撞能的增大总体上有利于研磨，但过高的填充率会导致有效碰撞的比例下降，导致一部分碰撞没有物料颗粒的参与，造成碰撞能的流失。增加介质填充率，扭矩会迅速升高，功率消耗增大，降低磨矿效率；介质填充率过低也会使矿料周围的介质较少，导致磨矿效果变差，选择合适的介质填充率对实际生产十分重要。

2.3.3 磨矿介质属性

磨矿介质作为破碎物料的主要因素，其形状属性和材料属性对立式搅拌磨机的磨矿意义重大。立式搅拌磨机常用球形磨矿介质，磨矿介质直径是影响磨矿效率大小的一个重要因素，合理搭配不同直径的磨矿介质能增强磨矿效果，提高磨矿效率[42]。JANKOVIC以方解石为原料进行了不同磨矿介质直径的立式搅拌磨机磨矿试验，结果表明，直径小的磨矿介质能产生更细的磨矿产品；对于特定的搅拌速度，存在最佳的介质尺寸，超过这个尺寸会降低磨矿效率。对于研磨粗颗粒的矿石来说，磨矿介质直径过小会导致介质与物料之间的相互作用力过小，达不到破碎物料所需的最低应力，物料无法被破碎。根据经验搅拌磨机的介质直径应为给料F80的20～30倍。非球形磨矿介质对搅拌磨机磨矿的影响也受到学者的关注，SINNOTT等[43]通过数值模拟对非球形磨矿介质的磨矿影响进行了探究，相比于使用球形介质，非球形磨矿介质和物料在磨机筒体内移动速度有所下降，磨矿区域膨胀，介质之间空区增大，导致物料破碎率降低，立式搅拌磨机磨矿效果减弱；另外，非球形颗粒使得搅拌器磨损更加严重，总体上对磨矿造成了不利影响。

除此以外，磨矿介质是立式搅拌磨机对矿料进行剪切、摩擦以及挤压的能量载体，为了能够承受强烈的相互作用，对于磨矿介质的材料特性有一定要求，如介质密度、介质强度与硬度和介质的化学稳定性，这些因素决定了在生产磨矿中介质的消耗速度、磨矿费用以及作业率，甚至决定了产品的质量。

2.3.4 搅拌器属性

搅拌器是立式搅拌磨机的关键部件，将电动机输出的能量传递给筒体内的介质和物料，是筒体内颗粒运动的直接能量来源。搅拌器的直径和螺旋升角对立式搅拌磨机的磨矿效果有着重要影响。

立式搅拌磨机在运行过程中，搅拌器的直径影响磨机中矿料的径向速度分布[44-45]，在搅拌器直径范围内，物料离搅拌器轴心越远，线速度越大，矿粒之间的速度差越大，物料磨矿效果越好；增加搅拌器直径，在相同搅拌速度下，筒体内矿料颗粒获得的总动能增大，用于破碎物料颗粒的能量增加，物料磨矿效果增强。但过大的搅拌器直径会造成磨矿介质和物料在磨机内动能过大，加剧搅拌器和筒体内壁衬板的磨损，还可能出现爬壁现象和卡球现象[46]，进而影响磨矿的正常进行。

立式螺旋搅拌磨机的螺旋升角影响物料和介质的运动状态。螺旋搅拌器会对筒体内的物料产生两种作用，即剪切作用和循环作用。剪切作用与矿料的破碎密切相关，循环作用有助于将不合格粒径的矿料重新运送到磨机底部进行研磨[47]。对于立式螺旋搅拌磨机而言，磨剥是最有效的研磨方式，主要是由剪切运动提供；但磨机的循环运动需要克服重力做功，造成破碎物料的能量占比降低。当增大螺旋升角时，颗粒循环运动增强；当减小螺旋升角时，颗粒剪切运动增强[48]。在相同磨矿高度上，减小螺旋升角可以增加搅拌叶片的数量，能有效增大物料磨矿区域，增强磨矿效果。在实际生产中，设备螺旋升角一般为17.66°，根据物料种类的变化，可适当改变螺旋升角大小。