陶瓷球为磨矿介质的立式搅拌磨磨矿特性探讨.docx

陶瓷球为磨矿介质的立式搅拌磨磨矿特性探讨研磨介质作为立式螺旋搅拌磨的重要组成部分，其种类直接影响磨机的磨矿特性。以立式螺旋搅拌试验磨机为研究对象，采用CFD-DEM方法建立矿浆与研磨介质的流固耦合仿真模型，对氧化铝陶瓷球和高珞钢球两种研磨介质进行磨矿过程仿真研究，分析介质球的运动速度、碰撞力、碰撞次数以及螺旋搅拌器的转矩。利用试验磨机进行磨矿试验，检测38m和45m下的物料筛下累积量并计算磨机的磨矿吨功耗。结果表明，在相同填充率的条件下，以陶瓷球为磨矿介质的立式搅拌磨磨矿吨功耗小于以钢球为磨矿介质的吨功耗，但磨矿处理量较低；当陶瓷球的填充率提高时，磨矿吨功耗会提高，同时磨矿处理量也有所提高。近年来，易选的矿产资源逐渐减少，随着我国“双碳”战略进一步深化，面对有限的矿产资源，增加其利用率成为重中之重。立式螺旋搅拌磨作为一款超细磨设备，能够满足传统球磨机无法达到的研磨粒度要求，且能量利用率更高，节能效率可提高30%50%,是实现“绿色矿山”的重要设备之一。研磨介质作为磨机中靠自身的冲击力和研磨力将物料粉碎的载能体,是磨机的重要组成部分之一。在磨矿生产中，尽可能地发挥研磨介质的功能是提高磨机效率的最关键因素，因此，研究研磨介质与磨矿特性的关系意义重大。国内外很多学者对此进行了研究，Sinnott等人通过离散单元法对具有螺旋搅拌器与棒形搅拌器的立式磨机进行研究，发现螺旋搅拌磨和棒式搅拌磨内钢球运动呈现不同趋势，并且非球形介质会恶化搅拌器的磨矿效果，增加搅拌器的磨损；Strobel等人研究了在小型卧式搅拌磨机中，研磨介质尺寸和流体黏度对物料应力状态的影响，结果表明，较大的磨粒可得到较高的应力能，而黏度的增加会降低应力能；Batjargal等人对搅拌球磨机磨矿介质的三维运动进行了数值模拟，计算了磨矿介质的受力、动能和速度；周宏喜等人分析了立磨机内研磨介质的运动情况，讨论了研磨介质在不同磨矿区域产生的研磨效果；谢朋书等人基于离散元方法分析了立式螺旋搅拌磨研磨介质尺寸分布、搅拌器转速以及导程对磨矿效果的影响，并提出了综合磨矿性能指标，为磨机优化设计提供了参考方法；李留政等人采用离散单元法对立式螺旋搅拌磨的磨矿过程进行了分析，发现介质球速度与搅拌器转速及介质球径向方向上所处的位置关系较大，且介质球碰撞力、碰撞次数与搅拌器转速、介质球填充率有很大关系。目前，立式螺旋搅拌磨使用的研磨介质多为高珞钢球，其以较低的价格在磨矿行业备受欢迎。钢球密度大，在研磨过程中会产生很大的能耗；普通的陶瓷球虽密度小，但硬度过低,并不适用于研磨作业。随着耐磨材料技术的发展，近年来出现了一种以氧化铝为基本材料的新型纳米陶瓷球，相比于钢球，其具有更节能、更耐磨等优势，发展前景更广阔。笔者采用CFD-DEM耦合的方法建立矿浆与研磨介质的流固耦合模型，探究在使用不同尺寸的陶瓷球和钢球时，立式螺旋搅拌磨的磨矿特性以及能量损耗，并结合立式螺旋搅拌试验磨机的试验结果，分析使用不同材料研磨介质时的磨矿特性，为立式螺旋搅拌磨研磨介质的选型提供依据。1数学模型1.1 几何模型立式螺旋搅拌试验磨机的结构非常匏杂，在建立几何模型时要对其进行简化，只保留筒体和搅拌器两部分，由于其属于旋转器件，需要将流体域划分成静止域和旋转域两部分。立式螺旋搅拌试验磨机的几何模型如图1所示，部分结构参数如表1所列。图1立式螺旋搅拌试验磨机几何模型表1立式螺旋搅拌试验磨机结构参数参数名称数值参数名称数值搅拌轴直径540螺旋桨高度H1800搅拌耨直径5刈旋转域高度8)6旋转域直径A296搅拌筒高度小970搅拌筒内径0,376在实际工况下，立式螺旋搅拌磨内部物质主要由研磨介质、矿石、水和空气组成，但矿石的入料粒度和研磨介质的直径相差较为悬殊,在仿真中很难准确模拟出矿石的破碎。因此,仿真中将矿石和水组成的矿浆视为单一的流体相，且欧拉耦合模型只能应用于两相流，故该仿真忽略空气，默认磨机内部充满矿浆。1.2 固液两相流模型物料和水组成的单一流体为矿浆，其密度和动力黏度计算公式为D-1.a-th-ur.(I)mak6式中：C为矿浆质量分数；Pl为矿浆密度，kgm3;PW为水的密度，kgm3;Pm为干矿密度，kgm3;Pl为矿浆动力黏度，Pa-s；w为水的动力黏度，Pas；l为矿浆体积分数，。矿浆处于恒温恒压下，且考虑到矿浆与研磨介质的相互影响，在守恒方程中加入一个额外的体积分数项。由Navier-Stokes方程可知，矿浆的质量和动量守恒方程为式中：I为空隙率；t为时间，s；Ul为矿浆流速，m/s；gl为矿浆重力加速度，ms2;S为动量汇；n为筒体内研磨介质的数量；FD为研磨介质所受矿浆作用力的总和，N；V为筒体的体积，m3。研磨介质的运动通过离散单元法（DEM）进行求解,离散元软件EDEM采用的是软球模型，允许两个刚体接触时有略微重叠，接触模型选择Hertz-Mindlinfno-Slip）模型。颗粒所受的接触力可分为两个分量，即法向接触力和切向接触力，其求解方程分别为产n=#底，(6)=-8G<5,(7)式中，Fn为法向接触力，N；E*为等效弹性模量，Pa；R*为等效半径，m；6n为法向重叠量，m；Ft为切向接触力，N；G*等效剪切模量，Pa；t为切向重叠量，m。1.3 网格划分及边界条件通常在欧拉耦合接口中，Fluent流体域的网格尺寸要大于颗粒直径至少3倍，网格体积大于颗粒体积至少10倍。仿真中，由于研磨介质直径较大，满足此要求所划分的网格质量极差，需要修改耦合接口中关于体积分数的算法，以便能够满足网格无关性的要求。采用修改算法后的接口进行仿真验证，考虑计算准确性及运算效率，选取网格最小尺寸为5mm,最大尺寸为15mm进行网格划分。由于磨机内部的研磨作用只发生在研磨介质与矿浆接触的部分，为了减小仿真与实际的差别，根据研磨介质在磨矿过程中能达到的最大高度，对磨机的几何模型进行截取。截取后的立式螺旋搅拌试验磨机网格如图2所示,网格数量为5.11万个，最差质量为0.4<,图2立式螺旋搅拌试验磨机网格搅拌器在旋转过程中会产生漩涡，为了提高计算涡流的精度，Fluent中湍流模型选择RNG-模型，选用标准壁面函数，出口设置为压力出口，时间步长为EDEM的100倍。由于要考虑研磨介质体积分数的影响，曳力模型选择WenYu&Ergun模型。耦合接口连接前，在EDEM中对研磨介质进行预填充，预填充时搅拌器不转动。由于Fluent在仿真开始时引入颗粒会对内流场湍流引起较大变化，极易引起仿真发散，因此，须将体积分数项松弛因子调小后再初始化，待内流场稳定后再逐渐调大。磨机运行参数设置如表2所列。表2磨机运行参数设置叁*了石材口rnwrw(r11m)I2HHnif度八3,>'>QMIJ厂也喊“分StarWft(kimu>223KKI0.(l)A首先进行8mm钢球介质磨矿仿真，然后利用8mm陶瓷球进行磨矿仿真，考察钢球和陶瓷球磨矿特性的差异。陶瓷球与钢球材料属性对比如表3所列。由于陶瓷球密度比钢球小得多，因此进行以下2种条件的陶瓷球磨矿仿真与试验。表3研磨介质材料属性材料主要化学成分密度/(kgnr')泊松比剪切模量/Pa潘氏硬度HRC高格钢球Fe、Cr、C、Mn78500.37.9XIOm>58班化铝陶瓷球Al2O5,SiO237()00.21.2×10">7()(1)填充率相同，钢球为150.0kg,陶瓷球为72.6kg：(2)陶瓷球填充率大于钢球，陶瓷球为100.0kg,2结果分析与讨论立式螺旋搅拌磨运行开始后，介质球和矿物会随着螺旋搅拌器的转动向上运动，当到达自由面时，又会在搅拌器与筒壁之间的环形区域内向下运动，如此往更，通过介质球之间、介质球与搅拌器和筒壁之间的剪切、摩擦以及冲击作用进行研磨破碎。Fluent中介质球分布如图3所示。contour-1Volumefraction(dem)-0.720-0.65()-0.570-0.50()-0.0)-0.3607).290-0.220-0.140-0.072-(HXM)图3介质球分布云图2.1 磨矿特性对比分析由于仿真中将矿浆简化成一种单一流体，无法检测其出料粒度，因此，仿真的磨矿效果可以通过分析研磨介质的运动速度、碰撞次数以及碰撞力来间接评价。2.1.1 运动速度在距磨机底部3高处截取一平面，以搅拌器中心为原点，提取平面内距原点不同径向距离处的研磨介质平均运动速度，结果如图4所示。+ISOOkgiut图4研磨介质运动速度对比由图4可以看出，随着距原点径向距离的增加，研磨介质的运动速度也逐渐增加，于搅拌器边缘处达到最大值；在搅拌器边缘距筒壁的环形区域内，研磨介质不被搅拌器的旋转所带动，其运动速度随着径向距离的增加而减小；同时，由于钢球质量较大，运动速度从始至终都要小于陶瓷球；在增加填充率后，陶瓷球作自上而下往复运动的距离增加，其在该平面内的速度也会有所增加。2.1.2 碰撞次数3种研磨介质颗粒的碰撞次数对比如图5所示。图5研磨介质碰撞次数对比从图5可以看出，陶瓷球的碰撞次数远远大于钢球，这与研磨介质的运动速度有很大关系，速度越大，颗粒之间的碰撞次数越多。2.1.3 碰撞力提取3种研磨介质颗粒的法向碰撞力和切向碰撞力，结果如图6所示。E三法向碰撞力际切向碰撞力150.0kg钢球72.6kg陶瓷球100.()kg陶兖球介质种类图6研磨介质碰撞力对比从图6可以看出，相同填充率情况下，钢球法向碰撞力比陶瓷球小，切向碰撞力比陶瓷球大，但相比较而言，两种研磨介质的法向碰撞力差距比切向碰撞力差距大得多。在研磨过程中，法向碰撞力占主导作用，因此法向碰撞力更大的陶瓷球磨矿效果会更好。当提高陶瓷球的填充率时，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。2.1.4 能耗对比分析在磨机启动阶段，螺旋搅拌器要带动研磨介质和矿物由静止状态动起来，该阶段螺旋搅拌器会受到较大的静摩擦力和惯性力矩，此时转矩会急剧增大，随后逐渐趋于稳定。使用3种研磨介质进行仿真，提取的搅拌器转矩及平均值如图79所示。图7使用150.0kg钢球时的搅拌器转矩图8使用72.6kg陶瓷球时的搅拌器转矩图9使用100.0kg陶瓷球时的搅拌器转矩能耗是衡量立式螺旋搅拌磨节能降耗的重要指标，搅拌器转矩、转速和磨矿时间的乘积即为立式螺旋搅拌磨在某时刻的能耗。在转速和磨矿时间恒定的情况下，转矩成为决定搅拌器能耗的重要因素。由图79可知，由于陶瓷球的质量比钢球小很多，在相同填充率的情况下，使用陶瓷球作为研磨介质所产生的转矩要比使用钢球小得多；当填充率提高时，搅拌器的转矩也会随之提高，但与使用钢球所产生的转矩仍存在较大的差值。2.1.5 结果对比分析在立式螺旋搅拌试验磨机上，以金矿为物料，分别加入8mm钢球150.0kg、8mm陶瓷球72.6kg及巾8mm陶瓷球100Qkg进行试验，试验参数与仿真参数保持一致，使用KTR转矩转速传感器检测搅拌器的转矩。分次进行磨矿溢流取样，记录每次取样时的搅拌器转矩，并计算磨矿吨功耗(能耗/物料干重质量)，最后对溢流取样样品烘干，并进行38m和45m下粒度筛分分析。3组试验测得的搅拌器平均转矩和物料处理量如表4所列。表4试验测得平均转矩及处理量研磨介质-38m含量/%平均转矩/(Nm)处理量/(kgminl)150.0kg钢球9043.011.6772.6kg陶宛球<M)13.190.8»100.0kg陶瓷球9020.781.()6由表4可知，转矩与仿真所提取的基本吻合，误差在15%左右。不同磨矿条件下，磨矿吨功耗与磨矿产品细度的变化关系对比曲线如图10、11所示。图10吨功耗与38m粒度筛下含量对比曲线图11吨功耗与45m粒度筛下含量对比曲线由图10、11可知，根据磨矿试验结果，使用陶瓷球作为研磨介质时，立式螺旋搅拌磨达到出料粒度标准所需的时间虽然较长，但总功耗比使用钢球少得多。这是由于陶瓷球介质的总质量要比钢球介质小，螺旋搅拌器带动其进行运动所产生的转矩小，立式搅拌磨拖动功率也会相应减少。陶瓷球表面硬度高，耐磨性强，单颗粒介质与物料接触时在微观上产生的挤压磨削能力较钢球强，而钢球的耐磨性较差，磨损后呈不规则形状，会对搅拌磨衬板造成较大的损伤，并且在研磨过程中，陶瓷球消耗量比钢球少很多，具有一定的经济价值。在相同的填充率条件下，陶瓷球磨矿吨功耗确实低于钢球，但同时其磨矿处理量低于钢球。适当提高陶瓷球的填充率时，磨矿吨功耗增加，但处理量会有所提高。3结论(1)利用CFD-DEM方法建立了流固耦合仿真模型，分析了使用氧化铝陶瓷球和高珞钢球时的磨矿特性，仿真与试验所得结果基本一致，陶瓷球磨矿效果要优于钢球。(2)在达到相同出料量的条件下，陶瓷球虽然数量多，磨矿时间长，但由于其质量小，研磨能力强，磨矿吨功耗要比钢球少25%左右，节能效果比较明显。(3)钢球内外硬度不均匀，在研磨过程中会变成不规则的多面体，对立式螺旋搅拌磨的衬板造成极大的损伤；而陶瓷球内外硬度均匀，即便在研磨过程中有磨损，但仍然呈圆球状态，表面较为光滑，能够增加螺旋衬板的使用寿命。引文格式:1刘俊,刘伟，薛玉君，等.陶瓷球为磨矿介质的立式搅拌磨磨矿特性研究J矿山机械,2024,52闭:3338.附参考：新型陶瓷球在大型立式搅拌磨上的应用初探矿山企业的消耗性成本在矿山总成本中占据比例最大，如何降低矿山消耗性成本一直是整个矿山领域探索的问题。陶瓷球作为研磨介质应用于细磨磨矿领域己有多年，主要应用于高速旋转细磨设备领域，如ISA磨、史密斯VXP磨、美卓SMD磨等，这类设备的特点是依靠介质间高速运动形成的速度差产生磨削作用来粉磨物料。立式螺旋搅拌磨主要依靠螺旋搅拌器低速回转带动研磨介质运动产生的挤压力、剪切力来粉磨物料。介质密度是影响粉磨效果主要因素之一。普通陶瓷球密度较轻，硬度低。随着耐磨材料技术的进步，近年来出现了一种以氧化铝或氧化错为基材的新型纳米陶瓷球，作为研磨介质应用于立式搅拌磨，相对于传统辂钢球介质，具有节能、节球耗、减少铁质污染等优势，具有一定的应用前景。1大型立式搅拌磨结构特点立式搅拌磨是一种新型节能环保设备，与球磨机类似，结构如图1所示,立式搅拌磨充填有一定高度的研磨介质（通常25mm）,工作时电动机通过减速器和上部主轴装置带动螺旋搅拌器转动，研磨介质与物料受到搅拌器回转的离心力、料浆流的拽力以及相对运动的摩擦力和自身重力的综合作用而产生宏观上规律性的循环运动。然而在微观上，由于研磨介质与物料受力的不平衡形成运动速度差，从而在彼此之间产生局部剪切力、挤压力和冲击力等的综合作用，从而达到物料再磨的效果。研磨后小于切割粒径的合格物料随料浆流上升，大于切割粒径的不合格物料则循环回磨机底部进行新一轮的研磨，实现了搅拌磨内部分级的目的，减少了过粉碎现象和颗粒的团聚效应。1 .螺旋搅拌器2.磁性衬板3.上机体装配4,传动主轴装置5 .行星减速器6.电动提升阀7.耐磨橡胶衬8.液位计9 .分选槽总成10.渣浆泵图ICSM系列立式搅拌磨结构2新型陶瓷球的应用2.1 新型氧化铝陶瓷球与高珞钢球性能对比高铭钢球是立式搅拌磨传统研磨介质，硬度高，耐磨性能良好；新型陶瓷球硬度较传统高铭钢球更高，且其球体内外硬度均匀，耐磨性能更好，二者性能对比如表1所列。表1氧化铝陶瓷球与高铭钢球性能对比Tab.1Comparisonofaluminaceramicballandhigh-chroniumsteelballiuPelfOIInalICe项目新型陶瓷球高格钢球主要化学成分Al2O3,SiO2Fe、Cr.C、Mn真密度/(lnf3)3.77.8堆密度/(t113)2.34.9洛氏硬度/HRCN7()N5«2.2 陶瓷球与钢球应用数据对比以矿VTM-800立式搅拌磨及老厂CSM250立式搅拌磨为例，研磨介质均是从高珞钢球改为新型纳米氧化铝陶瓷球，改造后均取得良好效果。改造前后应用数据对比如表2所列。表2陶瓷球应用后效果对比Tab.2Comparisonofapplicationeffectsofceramicball对比项目锹山矿VTM-8云锡老厂CSM-250陶瓷球高铭钢球陶在球高铭钢球原矿产量/(ld")67<M>(>7(M)I51(>150016搅拌磨产延/“仁)5()-8()16.716.7进料粒度Em99W111.2111.2产品粒度吊m434332.632.6运行电流/A3653«.211介质初始添加纸/32511019介旗充填率/%383037333介班大小mm'19、13025、420、3025、19v13¢25、¢20、013介质级限5：4：15：4：I5：4：II55»日补球量小75I(N)1312.519«单产介质消耗/(kg1.)0.0145。.194。<HM)830.1320讨板更换周附1/月5.05.54.5去7H6使用高铭钢球时，2个现场产量与粒度等指标均能满足设计要求。介质替换为纳米陶瓷球后，为保证原有工艺性能，银山矿保持原有级配不变，充填率由30%增加到38%,而云锡老厂介质充填率提升幅度相对较小，仅从33%提升到373%,但其介质配比变化较大，小球数量占比增加。因为陶瓷球密度较钢球轻，原有充填率介质不足以产生与原有钢球相同的挤压力、剪切力来粉磨物料，因而要保证原有产量，替换为陶瓷球后，势必要提高其充填率。由表2可知，保证原有工艺参数，替换为陶瓷球后充填率提高，但总充填质量却大幅下降，笔者分析其原因如下：(1)介质研磨效果不是完全取决于介质总质量，介质数量增加在很大程度上也提高了物料参与粉磨的机率，对粉磨效果也有提升作用；(2)陶瓷球表面硬度高，单颗粒介质与物料接触后在微观上产生的挤压磨削能力较钢球要强。研磨介质质量减少，立式搅拌磨拖动功率相应减少，银山矿电动机电流由原有53.0A降到36.0A,云锡老厂电动机电流由IlQA降到8.2A；且2个现场日补球量均不足钢球1/10。3应用分析3.1 应用优势3.1.1 节能效果明显在达到同等的磨矿工艺条件下，陶瓷球数量多，但总质量小，从上述2个现场电流值变化可以看出，搅拌磨输出功率减少幅度较大，银山矿单产电耗降低约32%,云锡老厂单产电耗降低约25.5%,节能效果非常明显。3.1.2 降低单产介质消耗以银山矿为例，通过计算，单产介质钢球消耗0.680.11kgt,而陶瓷球消耗0.0520.063kgt,以陶瓷球35000元八、高格锻球7800元/t价格计算，更换陶瓷球后，单产消耗介质成本能够降低65%左右。3.1.3 螺旋衬板寿命增加替换为陶瓷球介质后，银山矿VTM-800立磨螺旋衬板寿命增长约1个月，云锡老厂CSM-250立磨衬板预计寿命能够达到7个月以上。3.1.4 缩短单次检修时间陶瓷球内外硬度均匀，磨损后始终呈圆球状态，表面光滑；而钢球因其硬度不均匀，磨损后多呈不规则多边体，这决定了排球时陶瓷球更易排出磨外，能有效缩短排球时间。磨门打开后，因陶瓷球密度轻，人工铲除底部剩余球体的劳动强度较钢球低。3.1.5 减少铁杂质污染对于多数非金属矿物，其杂质含量特别是铁元素，决定了产品的质量等级。很多非金属磨矿工艺为降低铁杂质，在其加工过程中通常要进行除铁处理。若在细磨阶段使用陶瓷球研磨介质，能够有效减少铁杂质污染。3.2 存在问题3.2.1 陶瓷球不适合研磨矿浆密度大的物料若物料矿浆密度较大，研磨过程会出现陶瓷球跑球现象，矿浆密度越大，跑球现象越明显。同样以江铜银山矿为例，干矿密度为4.04.6tm3,当磨矿质量浓度为70%时，对应矿浆密度为212.2tm3,立式搅拌磨运行稳定，未出现跑球现象；当矿浆质量浓度超过70%时，出现跑球现象；当矿浆质量浓度超过75%时，跑球现象非常严重。3.2.2 陶瓷球不适合应用于充填率高的立式搅拌磨由于陶瓷球自身密度较钢球小，若替换钢球介质，为保证原有产量等工艺参数，相应要增加介质充填率。若原有磨机钢球填充率己经很高，无提升空间，替换为陶瓷球可能无法保证原有产量。同样以江铜银山矿为例，原有钢球充填率在30%左右，是工业立式搅拌磨较低介质充填率，提升空间较大。当陶瓷球充填率达到38%左右时可以保证工艺产量，而38%也是立式搅拌磨合适的磨矿介质充填率。3.2.3 磁性衬板不适用于陶瓷球立式搅拌磨通常采用磁性橡胶衬板做为筒体耐磨材料,其优势是能够吸附一定厚度钢球形成保护层，寿命能够达到15年以上。然而替换为陶瓷球后，磁性衬板上原有吸附钢球层磨损后，没有新的钢球补充，衬板寿命严重缩短，且磁性衬板价格昂贵，性价比极低。针对陶瓷球不适用于磁性衬板的情况，相应开发了聚氨酯衬板，其可塑性强，肖氏硬度更高，在华联锌锢现场使用效果良好。图2聚氨酯衬板应用实例4结语新型陶瓷球应用于立式搅拌磨的再磨作业(如铜铁分离，铜锡分离)，从上述2个案例来看，能够大幅降低选厂介质消耗成本，但陶瓷球能否在立式搅拌磨领域全面推广应用，是一个长期探索的过程，目前需要去努力解决相应问题。作为陶瓷球企业，研发高密度及高硬度陶瓷球，使其能够应用于矿浆密度大的黑色金属磨矿领域；作为立式搅拌磨设备研发企业，因考虑陶瓷球充填率高、拖动功率小等问题，适当提高磨机筒体高径比及放大有效容积，开发适用于陶瓷球介质的筒体衬板；对于矿山使用者来说，也应开展陶瓷球级配研究，以探索不同粒级大小物料的最佳级配。引文格式：1胡国辉，张廷龙，宋现洲，刘慧芳，王铭浩.新型陶瓷球在大型立式搅拌磨上的应用初探几矿山机械,2018,46(10):30-32.