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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、，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
7、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)=-8G5,(7)式中，Fn为法向
8、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
9、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0.4QMIJ厂也喊“分StarWft(kimu223KKI0.(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、Mn78500.37.9XIOm58班化铝陶瓷球Al2O
10、5,SiO237()00.21.2107()(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.
11、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
12、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
13、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
14、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
