几种典型搅拌磨机磨矿机理的研究进展.pdf

2 0 1 7 年增刊有色金属 选矿部分1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 0 4 几种典型搅拌磨机磨矿机理的研究进展 卢世杰1 ”，刘佳鹏1 ”，何建成1 ”，袁树礼1 ，2 1 ．北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要介绍了卧式搅拌磨机、立式螺旋搅拌磨机、立式棒式搅拌磨机三种典型搅拌磨机的结构特点、粉碎机理、介质运 动规律以及过程参数等机理的研究现状和最新进展，讨论了今后的发展方向及尚需解决的问题。 关键词搅拌磨机；磨矿机理；介质运动；参数优化；研究进展 中图分类号T I M 5 3 ．9文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 0 1 3 - 0 9 R e s e a r c hA d v a n c e sa b o u tG r i n d i n gM e c h a n i s mo fs o m eT y p i c a lS t i r r e dM i l l s L Us 均论| ”．u UJ i a p e n g i ”．H EJ i a n e h e n g | ”，Y U A NS h u l i l _ 2 1 ．B 臼删M a c h i n e r y A u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ；2 ．B e i j i n gG e n e r a l R e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ri n t r o d u c e ss t r u c t u r a lf e a t u r e so fs o m et y p i c a ls t i r r e dm i l l sl i k eh o r i z o n t a ls t i r r e dm i l l s ． v e r t i c a ls c r e ws t i r r e dm i l l sa n dv e r t i c a lp i ns t i r r e dm i l l s ．T h e i rr e s p e c t i v et h e o r e t i c a lg r i n d i n gc o n s i d e r a t i o n s ．m e d i a m o t i o nr u l e sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r si m p a c to ng n n d i n gp e r f o r m a n c ea r ea l s or e v i e w e d ．B a s e do nt h ea b o v e ，f u t u r e t r e n d sa n ds o m eu n s o l v e di s s u e sa b o u ts t i r r e dm i l l i n gt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d ． K e yw o r d s s t i r r e dm i l l s ；g r i n d i n gm e c h a n i s m ；m e d i am o t i o n ；p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ；r e s e a r c ha d v a n c e s 近年来，易处理、高品位矿产资源逐步枯竭，贫、 细、杂等难处理矿产资源开采大大增加，对矿物细磨 的要求越来越高。国内大多数矿山使用球磨机作为 主要的细磨设备，其筒体转动，粉磨过程以大直径介 质冲击作用为主，能量耗散大，作用效率低；同时，存 在部分矿物过磨，循环负荷大等问题，人磨粒度越细 这一弊病越严重。此时，搅拌磨机就作为一种新型 细磨设备逐渐走入了人们的视线。 与球磨机不同，搅拌磨机筒体静止，搅拌机构旋 转进而带动介质运动以达到将物料磨细的目的⋯。 近些年，被广泛应用于细磨及再磨领域。实践证明， 在物料粒度小于1 0 0 “m 时，其磨矿效率高于传统球 磨机旧1 ，这是由于其允许使用更小直径的介质球，使 得其产品能够达到更细的粒度区间；同时，其粉碎物 料的主要方式为研磨，单位容积能量密度高旧J ，在相 同处理量下其规格较小从而更具优势，如图1 所示。 图1不同磨矿阶段的球磨机和搅拌磨能耗对比 F i g ．1C o m p a r i s o no fe n e r g yc o m s u m p t i o nb e t w e e n s t i r r e dm i l la n db a l l m i l li nd i f f e r e n tg r i n d i n gs t a g e 现阶段针对搅拌磨机的研究工作大多集中于采 用新技术扩大设备规格、降低介质消耗，减少衬板磨 损等领域，而对其磨矿机理方面的研究相对较少，对 磨矿的微观过程及其作用机理的揭示并不透彻。 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 6 7 4 0 3 3 、5 1 6 0 4 0 2 7 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 ．1 4 作者简介卢世杰 1 9 7 2 一 ，男，河北衡水人，博士，教授级高级工程师，主要从事浮选、粉磨等技术研究及设备推广。 万方数据 1 4 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 本文在介绍典型搅拌磨机的结构特点的基础 上，着重阐述粉碎机理、介质运动规律以及过程参数 等机理的研究现状和最新进展。 1 搅拌磨机结构 1 9 2 8 年K l e i n 和S z e g v a r i 最先提出了搅拌磨机 - ●_ _ _ ●● ‘1 电机 。 概念，搅拌磨机的工业化应用已经有8 0 多年的历 史。现阶段，在矿物加工领域广泛应用的搅拌磨机 主要有H 训立式螺旋搅拌磨机、卧式搅拌磨机以及立 式搅拌棒磨机，三者结构方面的区别主要在于其筒 体安装方向及搅拌器结构形式上的差异，其结构形 式如图2 所示⋯。 排矿口 图2 在矿物加工领域应用的几种常见搅拌磨机结构 F i g ．2 S t r u c t u r eo ft y p i c a ls t i r r e d m i l la p p l i e di nm i n e r a lp r o c e s s i n g 立式螺旋搅拌磨机国际上的典型代表有日本 E I R I C H 公司研制的E T M 系列和芬兰M e t s o 公司研 制的V T M 系列，最大安装功率已分别达到16 7 8k W 和33 5 6k W ；国内有长沙矿冶研究院J M 型、北京矿 冶研究总院K L M 型以及中信重工C S M 型等几种主 要系列，由直立静止的筒体与螺旋搅拌器组成，其介 质直径通常为1 2 ～3 0m m ，工作时搅拌器以3m ／s 左 右的线速度旋转带动介质球作旋转以及提升运动， 产品细度可以达到P 踮 2 0 仙m 。 卧式搅拌磨机的典型代表为I s a M i l l 哺1 ，是由德国 N e t z s c h 公司和澳大利亚的M o n tI s a 铅锌矿共同开发， 磨机由卧式筒体与水平盘式搅拌器组成。应用的介 质直径通常为3 ～6m m ，工作时盘式搅拌器外圆线速 度达1 9 ～2 2m ／s ，腔体内部的能量密度可高达3 5 0 k w ／m 3 ，可以轻松将物料磨细至1 0 “m 以下。 立式搅拌棒磨机的典型代表为M e t s o 的 S M D 【9J ，由直立静止的筒体与棒式搅拌器组成。应 用的介质直径通常为1 ～3m m ，工作时搅拌器外圆 线速度约为8 ～1 3m ／s ，其产品的P 。。也能达到1 0 斗m 以下。磨机工作时，通过筛网避免介质排出。 2 粉碎机理 K l a u sS e h o n e r t 叫较早的提出了细磨过程的粉碎 机理，在其基础上S c h w e d e s 、S t e h r 、K w a d e 等人⋯。1 2 J 不断完善、丰富并发展，形成了搅拌磨机的粉碎理 论，为后续搅拌磨的发展奠定了基础。 2 ．1 卧式搅拌磨 基于卧式高速搅拌磨机的粉碎机理发展最早， K w a d e 等人0 1 3 - 1 53 认为，搅拌磨机中物料的粉碎是由 两个关键因素决定的单个颗粒在搅拌磨机中一定 时间内受到介质有效碰撞的总次数 S t r e s sN u m b e r ， S N ，以及在单次碰撞事件中介质传递给该颗粒的能 量强度大小 S t r e s sI n t e n s i t y ，S I 。 S N 是由搅拌磨机一定时间内介质球碰撞的总 次数 Ⅳc 、这些碰撞中成功捕获到颗粒并且颗粒被 充分粉碎的概率 P 。 以及搅拌磨机中物料颗粒的总 万方数据 2 0 1 7 年增刊卢世杰等几种典型搅拌磨机磨矿机理的研究进展 1 5 数量 Ⅳ， 所决定的，关系如式 1 所示 ．s Ⅳ 等 ㈩ 而将式 1 中等式右侧的抽象概念再继续用搅 拌磨机具体的结构或运行参数来表达5 ，经过一系 列推导，最终可得出如式 2 的关系式 ⋯妒G M 1 一占 n t⋯ 引恤丌i i F 习万瓦 ‘2 其中妒。M 代表介质球充填率；占代表介质球床层 孔隙率；c 。代表矿浆固体浓度；n 代表搅拌器转速；t 代表指定的磨矿时间；d 。M 代表介质球直径。 s ，的定义基于磨机内部2 种主要的粉碎形式， 一种是碰撞中介质损失的动能被用于物料粉碎，一 种则是介质之间的相互挤压 重力或离心力作用 导 致物料粉碎，在搅拌磨机中，后者提供的能量与前者 相比可忽略不计，基于此假设，则可以认为田与介 质球的动能成正比，其关系如式 3 所示 5 地．s ，伽 d 舻伽秽； 3 其中d 伽代表介质球直径；p 。肘代表介质球密度； ”。代表搅拌器末端线速度。 从研以及S N 的定义可知，二者共同决定了磨 矿效果 即一定时间内物料产品的细度 ；而同时，由 于田可以看成是单个物料颗粒在单次碰撞中粉碎 所消耗的能量，因此搅拌磨机一定时间内的总能耗 也可以由s ，和S N 来共同描述，这是连接搅拌磨机 微观粉碎过程与宏观磨矿指标的重要桥梁。例如， B e c k e r 等人刨在研究输入能量与物料产品细度关 系的时候应用了研伽的概念，将其作为描述介质密 度、介质直径以及搅拌器转速的一个综合指标，其研 究结果如图3 所示【l6 I 。研究表明在相同的矿物条 件下，随着输入能量的提升，产品细度向更细的方向 进 图3 产品细度与应力强度以及输入能量的关系 F i g ．3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o d u c t f i n e n e s sa n ds t r e s si n t e n s i t y 基于此粉碎机理，研究搅拌磨机中介质的运动 规律，不仅能揭示介质或浆料的运动轨迹以及速度 变化，也可以反映搅拌磨机中的能量分布情况，揭示 搅拌磨机各区域的磨矿强度高低，为搅拌磨机的结 构优化以及模拟放大的模型建立提供了理论上的 可能。 2 ．2 立式搅拌磨 K w a d e 等人对粉碎机理的研究只是针对卧式盘 式搅拌磨机，J a n k o v i c ⋯1 将该理论继续深入拓展到立 式搅拌磨机领域，分别针对立式螺旋搅拌磨机和立 式搅拌棒磨机中介质的应力强度作了系统的分析和 计算，其对原有研的计算方法作了一定改动，考虑 了介质重力势能的变化 趴。 。这是因为对于转速 较高的卧式搅拌磨来说，其介质重力势能远小于介 质旋转动能，计算应力强度时可忽略介质重力势能； 而对于低速的立式搅拌磨来说，介质在竖直方向上 运动所产生的势能与介质旋转的动能相当，不可忽 略。同时，对于立式螺旋搅拌磨机与立式搅拌棒磨 机来说，其情况又略有不同。J a n k o v i c 【l 副利用修改后 的应力强度 s ， 对实验室立式螺旋搅拌磨机、立式 搅拌棒磨机的产品细度与能量的关系进行了研究， 结果如图4 所示。研究结果表明基于卧式搅拌磨机 提出的粉碎机理模型同样适用于立式螺旋搅拌磨机 与立式搅拌棒磨机，但对于不同形式的搅拌磨机，粉 碎机理模型是存在区别。 ，∥ ．√。 呈z 。攀．o ．．．，一 1 0 ， 扭篓蘸爹 3 介质运动 磨矿介质运动规律研究是磨矿机理研究的基 础，因为物料的碎裂能量最终是来源于介质的碰撞 或摩擦，由于搅拌磨机内介质与浆料运动非常复杂， 在很长一段时间内此项研究停滞不前。直至2 0 世 万方数据 1 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 纪9 0 年代，随着试验及计算手段的丰富，针对搅拌 磨机内部固液混合状态下介质运动规律的研究才逐 渐见于各种报道9 ’2 。 3 ．1 卧式搅拌磨 B l e e h e r ，K w a d e 等人心2 之3 1 通过数值计算的手段 研究了卧式搅拌磨机中无介质状态下浆料的运动形 式以及单个介质的运动规律，并基于计算结果推测 了卧式搅拌磨机中的能量分布。研究发现，卧式搅 拌磨机中存在2 个高强度磨矿区域，分别是搅拌盘 外沿附近以及简体内壁附近，搅拌盘外沿磨矿强度 高是由于在此区域介质的切向速度梯度很大，而在 其它区域切向速度几乎没有差别；筒体内壁附近范 围的磨矿强度高则是由于介质从搅拌盘顶端到筒体 外壁时速度梯度较大，并且介质在两盘之间向筒体 运动，然后再向中心返回运动，也增加了介质之间的 相对摩擦。 在此基础上，S t e n d e r 等人Ⅲo 从介质应力强度的 角度出发，通过模拟表征了盘式搅拌磨内部的能量 分布，其结果如图5 所示。其中区域灰色程度的深 浅代表了其能量强度的大小 y ．一从搅拌盘表面附近的狭小空间内，介质的 切向速度从表面的最大值急剧减小至5 0 ％左右，此 区域宽度d 。与搅拌盘结构参数无关，与介质尺寸有 关； K 一在搅拌盘外缘与简体内壁形成的间隙区 域，介质的切向速度从搅拌盘外沿的最大值减小至 筒体内壁附近几乎为零； K 一在近6 0 ％左右简体容积的大区域内只有很 小的能量分布； K 一在近2 5 ％左右筒体容积区域，介质与颗粒 磨机主轴 ▲ 卜＼，。一一。，．。一 几乎以近似相同的速度运动，因此能量的分布微乎 其微。 搅拌盘 表面 i ， { 』 轴 图5卧式搅拌磨机简体内部能量分布 F i g ．5E n e r g yd i s t r i b u t i o ni nt h et a n ko f h o r i z o n t a ls t i r r e dm i l l 该结果印证了之前K w a d e 等人[ 2 2 。2 3 1 做出的关于 卧式搅拌磨机内部能量分布的推测，对卧式搅拌磨 机中介质的运动及能量的分布给出了综合而全面的 描述，为该类磨机的放大选型提供了理论依据。 3 ．2 立式搅拌磨 J a n k o v i e 等⋯较系统地研究了立式搅拌磨机中 介质的运动规律，他认为介质在立式搅拌磨机中的 运动主要分为2 类绕轴的旋转运动以及沿轴的 竖直方向运动，而径向运动可忽略不计，如图6 a 所 示；同时，在垂直于磨机主轴的横截面上，处于同一 半径的介质球 介质环 具有相同的周向及轴向速 度，而位于不同半径的介质球之间则存在速度差，这 种速度差造成了介质球之间的相互摩擦并最终导致 处于空隙中的物料被磨细，如图6 b 所示。 图6 介质的运动规律 F i g ．6 M o v e m e n t a lp r i n c i p l eo fg r i n d i n gm e d i a 万方数据 2 0 1 7 年增刊卢世杰等几种典型搅拌磨机磨矿机理的研究进展 1 7 在此基础上，J a n k o v i c ，M o r e l lL 2 5 1 分析了立式螺 旋搅拌磨机与立式搅拌棒磨机中介质球的速率分布 规律。其将立式螺旋搅拌磨机内部区域划分为螺旋 内部区域 i n s i d et h es c r e wz o n e 和间隙区域 a n n u a l r e g i o n ，又将间隙区域细分为螺旋顶端区域 t i p z o n e 以及顶端区域之间的自由区域 f r e ez o n e ，并 分别分析了各个区域内介质速率的分布规律并建立 了相应的运动模型，如图7 所示。从图7 中可以看 出，塔磨机中介质球在绕轴作旋转运动的同时，在螺 旋内部区域被缓缓提升，在螺旋顶端四散进人间隙 区域并向下回落形成循环。其中，在螺旋区域内部 介质切向速度梯度较小，竖直方向速度几乎无差别， 故磨矿强度较弱；而在间隙区域介质切向以及竖直 方向均存在较大梯度，故磨矿强度较强，并且螺旋顶 端区域的磨矿强度比自由区域更强。 主轴旋转角速度 C D ∞。 ，- I 象／上 I I 多f∥ 笠 y 0 ，- I I 1 圭／≯_√ j J 。 b 轴向速度分布 q 位置 a 总速度分布C 切向速度分布 图7立式螺旋搅拌磨机中介质运动模式 及速度分布情况 2 5 】 F i g ．7 M o v e m e n ta n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f g r i n d i n gm e d i ai nv e r t i c a ls t i r r e dm i l l 同时，对立式搅拌棒磨机也作了类似的区域划 分和分析处理，其结果如图8 所示瞄J 。对于直棒顶 端区域 p i nt i pz o n e 和自由区域 f r e ez o n e 的切向 速度变化规律与立式螺旋搅拌磨机十分相似，均是 在顶端速度达到峰值，并向内外两侧逐渐递减；而与 立式螺旋搅拌磨机不同的是，立式搅拌棒磨机在直 棒区域 p i nz o n e 不论是切向还是竖直方向上均存 在一定的速度梯度，这是由于不断的有介质球填充 直棒扫过后的空隙所造成的，因此立式搅拌棒磨机 的有效磨矿区域所占比例较立式螺旋搅拌磨机来说 更大。 主轴旋转角速度 口直棒区域 口直棒顶端区域 I - - 1 自由区域 ⑧ ＼／ ．v ／’ I 筒体内壁一l ＼ 径向位置I 直棒外荔 ，， ， 7 捌 毡 尽 暴 - l 、 、- b 轴向速度分和 U ，切向速度 c 切向速度沿轴向递减 a 总速度分布d 切向速度分布 图8立式搅拌棒磨机中介质运动 模式及速度分布情况 F i g ．8 M o v e m e n ta n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f g r i n d i n gm e d i ai nv e a i c a lb a rs t i r r e dm i l l J a n k o v i c ，M o r e l l 的研究构建了两种主要立式搅 拌磨机中介质运动模型以及能量分布模型，将人们 对搅拌磨机中介质运动微观过程的认识从之前卧式 高速搅拌磨拓展到了全新的立式搅拌磨机领域，为 立式搅拌磨机磨矿机理的研究奠定了理论基础。 C l e a r ya n dS i n n o t t 等人拉∽刊利用三维离散元法 模拟分析了立式螺旋搅拌磨机以及立式搅拌棒磨机 中磨矿介质的流态及能量的传递和分布情况，阐明 了磨机中介质的运动规律和碰撞环境，对磨机运行 的关键过程参数作了一个较为全面的展示，如图9 所示。研究结果表明，立式螺旋搅拌磨机中的介质 切向上绕轴旋转，竖直方向上于螺旋内部被向上推 送，并于螺旋轴与筒体环形间隙之间向下回落从而 形成循环；其能量绕轴呈圆周对称分布，而沿轴向变 化很小，大部分介质对磨矿具有相当的贡献，即介质 整体对磨矿的参与度较高。对于立式搅拌棒磨机， 介质的运动在切向上与立式螺旋搅拌磨机类似，均 是在直棒顶端左右速度最大并向两侧递减，t 介质在 直棒附近进行上下振荡式运动；其能量随着介质深 度的增加而显著增加，其上部区域的能量强度较弱， 而最底部直棒区域附近的能量强度最大，因而立式 万方数据 1 8 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 棒磨机中底部介质对磨矿贡献较大，而中、上部区域介质对磨矿的贡献较小。 』℃螺旋搅拌磨机 介质速度分布 Z 式螺旋搅拌磨机中 立式搅拌棒磨t J L q 介质速度分， 伞质轴向速度分布 图9 立磨机轴截面下的速度云图 F i g ．9V e l o c i t yo ft h ev e r t i c a ls t i r r e dm i l lu n d e rt h ea x i a lc r o s ss e c t i o n 国内针对搅拌磨机中介质运动规律的研究虽然 起步较晚，但也取得了一定的成果。张国旺‘2 8 j 、母 福生。2 9 ‘以及王鑫1 30 I 等人各自采用C F D 和D E M 的 模拟仿真方法，对立式搅拌磨机中介质的运动规律 以及能量分布进行了模拟计算，均得出了对于立磨 机螺旋外沿到简体内壁的环形间隙中介质运动速度 梯度大、磨矿强度高的结论。 4 过程参数影响 搅拌磨机运行时关键参数对磨矿效率的影响研 究也是属于机理研究的重要一环，可以为搅拌磨机 结构设计以及运行过程的优化提供重要依据。影响 搅拌磨机磨矿效率的参数有很多，M o l l sa n dH o r n l e 等人曾经提出并定义了多达4 4 个参数，但这其中大 部分对磨矿效率的影响微乎其微，而其中对磨矿效 率影响较大的参数主要又可分为2 大类一类是与 结构相关的设计参数，如筒体几何容积、搅拌机构的 设计参数、简体与搅拌器的环形间隙等；另一类是与 工艺条件相关的运行参数，如介质种类、介质尺寸、 介质充填率、搅拌器转速、矿浆浓度、矿浆黏度等。 前者与搅拌磨机设计与结构优化息息相关，后者是 设备运行过程优化的重要依据，因此对这两类参数 的研究缺一不可。 4 ．1 工艺运行参数 早期针对搅拌磨过程参数的研究大多属于实验 性探索一1 。32 1 ，研究的多是如磨矿时间等过程参数；评 价磨矿效果的指标也较为单一，多局限于磨矿产品 细度或磨机单位处理量这种宏观指标，而对于磨矿 过程的能量效率关注较少，对过程参数的影响缺乏 全面的认识，得到的结论缺乏足够的说服力。 K w a d e 等人- l 3 。1 63 提出的搅拌磨机粉碎机理，对 磨矿过程中工艺运行参数的影响研究具有重大意 义。其核心在于，磨矿过程的能量效率是由．s ，和S N 共同决定的，而各过程或者工艺参数是通过影响肼 或者S N 的大小来最终影响磨矿的能量效率。例如， s ，根据其定义可综合反映介质尺寸和密度、搅拌器 转速、矿浆密度的变化，而S N 则受到如磨矿时间等 参数的显著影响。要达到能效最大化，则需要通过 调整各参数使得吖处于最优条件且S N 实现最大 化。基于此，使得探索多因素对磨矿效率的复杂影 响机制成为可能，且为搅拌磨机过程参数优化提供 理论依据和指导。 基于应力强度 s ， 进行磨矿过程参数影响的相 关研究较多1 3 3 。”。，具有代表性的是J a n k o v i c I l 剐通过 万方数据 2 0 1 7 年增刊卢世杰等几种典型搅拌磨机磨矿机理的研究进展 1 9 实验室试验分别研究了搅拌器转速、介质尺寸以及 矿浆浓度等运行参数对卧式高速搅拌磨机、立式螺 旋搅拌磨机以及立式搅拌棒磨机磨矿效率的影响， 其磨矿效率是由达到一定磨矿产品细度下的磨矿总 能耗来评价的。研究结果表明，对于卧式高速搅拌 磨机来说，在一定范围内，介质尺寸越小，磨矿效率 相对越高，当给料粒度变细时该差异更为明显，其余 条件一致时，搅拌器转速在一定范围内升高有利于 磨矿效率提高；对于立式螺旋搅拌磨机，在一定范围 内磨矿浓度越高，磨矿效率越高，但浓度过高可能会 因为黏度问题而影响矿浆流动性从而降低磨矿效 率，一定范围内搅拌器转速越低，磨矿效率越高，介 质尺寸减小有利于磨矿效率的提升，但是过度减小 则会造成磨矿条件的恶化，即针对特定转速存在最 佳磨矿介质尺寸。对于立式搅拌棒磨机，矿浆浓度、 搅拌器转速、介质尺寸对磨矿效率的影响与立式螺 旋搅拌磨机相似。在试验研究的基础上，该文借助 应力强度 Ⅳ 的概念进一步探索了各个工艺参数对 磨矿效率的综合影响，研究表明对于一定的输入功 率，存在最佳的应力强度使得磨矿产品细度达到 最细。 然而，使用试验手段研究过程参数的影响终究 具有其局限性首先，可供研究和优化的参数范围很 小，并受到试验测量手段的限制；其次，研究各参数 对磨矿效果的交互影响难以通过试验手段来完成。 随着计算机模拟仿真手段的发展，利用D E M 以及 C F D 等手段建立复杂且与实际相接近的搅拌磨机全 域磨矿过程模型成为可能，能够突破使用试验手段 研究的局限性。 J a y a s u n d a r a 口“列1 等人利用D E M 以及C F D 对卧 式高速搅拌磨机中浆料和介质的运动状态进行了全 域仿真模拟，先后考察了矿浆浓度和黏度、介质充填 率和搅拌器转速和介质尺寸对磨矿效率的影响。研 究表明，矿浆浓度和黏度的提升均会不同程度的提 升介质的碰撞频率和能量，即提升磨矿强度，但同时 会导致磨矿能耗的提升，研究并没有涉及到能量效 率问题；介质充填率的提升会使得碰撞总能量 即磨 矿强度 提升，但超过7 0 ％后磨矿能耗会显著增长 而使得磨矿效率降低；搅拌器转速的提升会增大磨 矿强度和能耗，且能耗的增长速率更快；磨矿介质尺 寸对磨矿强度无显著影响，但是能耗会随着介质尺 寸的增加而急剧增加，导致磨矿效率的大幅降低，故 小介质更有利于高效细磨。 针对立式搅拌磨中传统手段较难研究的矿浆粘 度以及较少关注的介质形状对磨矿的影响，S i n n o t t 等人口9 4 0 1 借助D E M 和S P H 的仿真手段进行了研究 探索。研究结果表明，矿浆黏度会强烈影响立式搅 拌磨机中的矿浆流态及物料的传输，影响物料在磨 机中的停留时间进而影响磨矿效果；采用非球形的 磨矿介质会对磨矿效果产生负面影响，其核心原因 在于非球形介质在立式搅拌磨机中的传输受到阻 碍，介质相对运动较少，磨矿强度较低。 4 ．2 结构设计参数 在搅拌磨机中结构参数对磨矿效果影响的研究 方面，针对卧式搅拌磨机的筒体直径或容积对于磨 矿效率的影响，S t e n d e r 等Ⅲ1 与O k a yA h u n 等M 叫分 别作了相关研究，均得出了大简体直径或容积会提 升磨机的能量利用效率的结论；对于搅拌器形式的 优劣，O k a yA | t u n 等H 与R i t v aT u u n i l a 等2 1 分别进 行了研究，但却并未得出一致的结论，说明搅拌器形 式对磨矿效率的影响可能受磨机规格、搅拌器直径 大小等诸多因素的影响；而对于立式搅拌磨机中结 构设计参数的研究目前还未见公开报道。 5 发展趋势与展望 搅拌磨机磨矿机理的发展现在正逐渐朝着两个 方向进行 1 针对介质运动模型以及相关能量模型的更 新和优化随着计算机水平的飞速发展，针对搅拌磨 机建立的能量模型也在经历着从简到繁的发展，从 最开始的单相牛顿流体到后来的介质群再到如今的 固液两相耦合，其理论模型与实际情况越来越相符， 不合理的假设越来越少，人们对搅拌磨机磨矿过程 的认识逐渐深入，更重要地是基于模型所进行的设 备参数与结构优化以及合理放大选型都将更具有实 际的指导意义； 2 在已有模型的基础上，对于搅拌磨机中过程 参数优化方法的研究，包括对于关键过程参数的选 择和合理范围的确定、各过程参数交互影响的探索 以及磨矿效果综合评价指标的表征，比如除了现阶 段常用的产品细度以及能量利用率等指标外，磨矿 产品的粒度分布特性对于后续的浮选过程也具有重 大意义，然而针对过程参数是如何影响产品粒度分 布特性的研究相对较少。复杂模型提供了关于磨矿 过程越来越多的信息，而如何利用这些信息实现合 理的设备结构优化设计和精确放大选型则是另一个 重大课题。 现阶段，对于不同种类的搅拌磨机其磨矿机理 万方数据 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 的发展程度相差较大。对于卧式高速搅拌磨机的磨 矿机理研究在各方面都要超前于立式低速搅拌磨 机，这固然有历史的原因在内，但更重要的是立式低 速搅拌磨中介质的运动及受力分析更加复杂，对于 立磨机磨矿机理的探索仍有很长的路要走。此外， 立式搅拌磨机中还存在一些特有的问题，如其自分 级区域与磨矿区域的合理分配 螺旋高度与简体高 度的匹配设计 等，也是具备一定研究价值的潜在 方向。 随着矿产资源的贫、细、杂化，细磨已成为矿物 加工领域中不可逆的趋势。而作为细磨设备的代 表搅拌磨机，对其结构设计的合理优化以及精 确放大选型方法的建立势在必行，这就对搅拌磨机 磨矿机理的研究提出了更高的要求。如何通过优化 过程参数使搅拌磨机产出窄粒级产品以及针对不同 类型的搅拌磨机各自的选型放大方法体系的构建可 能成为搅拌磨机磨矿机理研究的重要方向。 参考文献 [ 1 ] J A N K O V I CA ．M a t h e m a t i c a lm o d e l l i n go fs t i r r e dm i l l s [ D ] ． A u s t r a l i a ，Q u e e n s l a n d U n i v e r s i t yo fQ u e e n s l a n d ，1 9 9 9 ． [ 2 ] S T E H RN ，M E H T ARK ，H E R B S TJA ．C o m p a r i s o no f e n e r g y ．r e q u i r e m e n t sf o rc o n v e n t i o n a la n ds t i r r e d b a l lm i l l i n g o fc o a l w a t e rs l u r r i e s [ J ] ．C o a lP r e p a r a t i o n ，1 9 8 7 ，4 3 _ 4 2 0 9 - 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