（机械设计及理论专业论文）一种新型磨机粉磨性能的研究.pdf

硕士学位论文擅要 摘要 搅拌磨是超细粉碎中最有发展前途而且是能量利用率最高的一种超细粉磨设备。因此，开发 新型超细粉磨设备，并对其傲理论研究和实验分析，具有实际的意义和广阔的市场前景和经济效 益。 搅拌磨磨筒中，在搅拌器的搅动下，物料与磨介作多维循环运动和自转运动，从而在磨筒中 不断地上下、左右相互置换位置产生激烈的运动，由磨介重力以及螺旋回转产生的挤压力对物料 进行摩擦、冲击、剪切作用而粉碎。由于它综合了动量和冲量的作用，因此能有效地进行超细粉 碎。) # 本文所做的工作是，基于新型搅拌磨的结构和工作原理，结合连续介质力学的理论，首先在 磨筒中利用n a v i e r s t o k e s 方程建立了液流的数学模型，给出了求解思路和计算方法，探讨了磨 简内的流态和能量密度分布；通过数值计算，计算域内存在两个高能密度区，这两个区域中，局 部能比大于平均能比：然后，在流场已知的稳态情形下，建立了磨介数学模型，通过计算分析， 磨球的轨迹主要取决于磨球对液流密度比、球对搅拌盘半径比及描述搅拌磨工作状态的雷诺数。 通过研究研磨介质在计算域内的运动来探索不同的粉磨技术参数对粉碎效果的影响，这些粉磨技 术参数主要包括磨介尺寸、磨介密度、搅拌盎速度、渍流密度及枯度等；通过优亿这些参数来达 到提高搅拌盘式搅拌磨粉磨效果的目的。根据研究结果分析，得到了一些有价值的结论，为评价 和优化现有搅拌磨的设计提供了具有参考价值的理论依据。 关键词：搅拌磨，超细粉碎，n a v i e r - s t o k e s 方程，技术参数 a b s t r a c t s t i r r e dm e s am i l li so n eo f 岫s u p e r f i n ec o m m i n u t i o ne q m p m o n t sw h i c hh a v eh i g h - e n e r g y u t i l i z a t i o nr a t ea n da p p l i c a t i o n 芦o s p e c t t h e r e f o r e , t h e r em p r a 曲c a lp u r p o r ta n ds p a c i o n sm a r k e t o u t l o o kf o rd e v e l o p i n gan e w - t y p es u p c r f m e e q u i p m e n ta n dd o m g t h e o r o t i c a ls t u d i o sa r d e x p 口抽坼n t a l o j 嘣y s i sf o r i t t h es t i r r e df l u i da n db e a d sh a v em u l t i d i m e n s i o n a lc i r c d a f i c nm o r o na n d & 雌_ r o 招d 锄f b rh ” s 面日r o t a t i o ni nl l l c f 鲥i l d i l i gc h a m b e ro fas t i r r e dm e d i am i l l i i i g hi n t i t ym o t i o ni s 鞠u s 。db y m u l t i - d i r e c t i o nd i s p l a c e m e n to f f l m da n db e a d s t h e p o w d e r i sc o m m i n u t e db y c o m p r e s s i o nc a u s e db y b e a d s g r a v i t ya n dh e l i c a lt t w nf r u b b i n g , i m p a c t i n ga n ds h e a r 崦 b a s e do nt h ec o n s m l c t i o na n do p e r a t i o n p r i n c i p l eo f an e w - t y p es t i r r e dm e d i am i l la i i dc 伽b i n e d w i t ht h ea - e r yo f t h ec o n t i n u o u sm e d i u m m e c h m c s , t h em m h e m a t i c a lm o d e lo f t h el i q u i di sf o t h l d e d b yu s i n gn a v i e r - s t q k e q u a t i o n si nt h e g r i n d i n gc h a m b e r i t ss o l u t i o na p p r o a c h d 柏m 谢l c a l c u l a t i o n sm p r e s e n t e d t h ef l o wp a t t m ma n de l l 勰yd i s t r i b u t i o n 啪d i s c u s s e d a c f d i 豫t ot h e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n , t w oz o i c l l t c | i z 。db y ah i 曲明曩科d e n s i t y 蛐ti nt h e e z m - t t b 。l o l s p e c i f i ce n e l g yi sl a r g e rt h a nt h e 蝴s t 耽i f i c 铀哟阱b a s e d 德峨s t c | 颤幽瞻i f t h e 舳w 觚t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb e a d si sa l s of o m l d c d t h ep o s i t i o no f t h e 衄晒t 0 匆d e p c l l t s 蛐t h er a t i oo f b e a d - t o - f l m dd e m i t y , t h er a t i oo fb e a d - l o - d i s cr a i n s 捌t h er 雎椭l u m b e r - 粒d i 矗赫t h e o p 盯a d i i gc o r , d i t i o n so f t h es t i r r e dm e d i am i nb y m 瑚o f t h eb e a d sm o t i o ni nt b cc a l c u l a t i o n 如呦h t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e 斌c o m m i n u t i o n o p e r a t i o np a r a m e t e r so nc o m m i n u t i o nr e s u l t si sd i s s e d ，1 1 i e p “8 “咖m a i n l yi n c l u d et h eb e a d ss i z e b e a d sd e o s 咄s t a r e ra n g u l a rs p e e da n df i q m dd e n s i t ya n d “”o s i t ye t c t h o s ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e ds 0t h a tt h ec o m m i n u t i o n r e s u l t sm i m p r o v e d a 0 r d i i l g t ot h es t u d y r e s e t s ，$ 1 3 m ev a l 眦i b kc o n c l u s i o n s p r e s e n t e dt h e s ew m w o v i d ev 缸u a b l e 吐啪d c a l r e f e r e n c ef o rt h ee v a l u a t i o na n d o p t i m i z a t i o no f t h ed c s i 印o f as 血谢碰a 血u k e y w o n t s ：s 血司m e d i a i l j p a 商电n a v e r - s t o k e s e q u a t o n s , t e c h m c a lp a m a m e t e b 硕士学位论文绪论 | 一i 第一章绪论 1 1 国内外球磨机发展现状和趋势 蘑矿作业是使物料粒度减小的过程，广泛应用于冶金、矿山、水泥、陶瓷、建筑及屯力部 门。矿产( 包括金属矿、非金属矿和能源矿产) 是现代人类社会生存发展紧密相关的物质基础。 即使在a 类社会进入“信息时代”的今天，有瞄以上的农业生产料( 化肥等) 来自矿产资源， 砸业原料来自矿产，量鳓的能源依赖矿业。 矿产资源的有用价值只有通过粉碎，特别是超细粉碎加工才能发挥出来，而且粉碎的产品 粒度越小，其应用价值越大。机械粉碎法在矿物加工中显示巨大的优越性。搅拌磨在矿物粉碎和 超细粉碎加工中占有重要地位，倍受人们青睐。它具有高效率，低能耗，安装操作维护简便、投 资少、能获得平均粒径 l p l 的产品、且质量稳定可靠、生产中无粉尘污染、噪声低和适应能力 强等优点。近年来成为国内外研究的热点，发展迅速。随着高技术产业发展和需求，和先进总控 制技术的介入，将推动搅拌磨新设备的不断涌现，从而生产出更细粉体己满足工业发展的需要。 早在1 9 2 8 年k l e i n 与s z e g v a r i 提出搅拌磨机的基本原理，使用搅拌器和球形介质研磨物 料，从而揭开了搅拌磨历史。并成立了u p ( u n i o np r o c e s s l n c ) 公司，从事搅拌磨研制与推广应 用。3 0 年代末，美国矿山局开发了搅拌磨用于浮选之前清理矿物表面，是一台有效的细磨设备。 到6 0 年代初用于加工高岭土和氧化钛。美国枉邦( 1 ) u p o n t ) 公司开发出高效搅拌磨用于颜料工 业。1 9 5 3 年，日本k u b a t at o w e r m i l l 公司的河端重胜博士发明了塔式磨机，并在冶金、黄金、 水泥和化工等部门应用，效果较好。 1 9 5 6 年s z e g v a n 发明了采用细长钢棒( 或铁棒) 做成搅拌器的搅拌磨。1 9 6 5 年以来，e n g e l s 将搅拌磨的开顶改为封闭式以提高搅拌器的转速，提高粉碎效率。1 9 7 0 年w i l h e l 为了处理磨矿 粘度5 p a s 的物料而增加了搅拌介质分离器。7 0 年代初，瑞典m a t t e rp a r t n e ra g 公司开发了 n r z k 搅拌磨用于加工水煤浆，相继改进了搅拌磨排矿装置，使搅拌器转速不断增加。1 9 7 6 年由 1 ) u r r 发明了卧式搅拌磨，该设备磨矿效率大为提高。1 9 7 9 年美国肝s 1 公司引进日本塔式磨矿机 专利生产立式搅拌磨。8 0 年代，德国f r y m a 公司开发了双锥形搅拌磨以硬沙粒为介质。9 0 年代 以来，瑞典萨拉公司推出的搅拌磨加大了搅拌轴直径，增加搅拌棒的数量，从而减少搅拌器的磨 硕士学位论文绪论 损，提高磨矿效率。 为了避免湿式粉磨的干燥过程的干式搅拌磨成为搅拌磨超细粉碎的新热点，今年瑞典、瑞 士、德国和日本相继推出立式连续干式搅拌磨。随着搅拌磨结构性能的提高，应用广泛，搅拌磨 在超细粉碎作业中的重要地位，已人所共识，市场需求量日益增大。 我国搅拌磨的研制始于7 0 年代初期，到目前经过3 0 年的发展，取得长足进步。8 0 年代初 原冶金部秦皇岛黑色冶金设计研究院和地质矿产部南昌化验制样机厂联合开发l 一5 0 0 型立式搅 拌磨( 塔磨机) 用于金厂峪金矿选厂代替第二段球磨机效果良好。另有郑州东方机器制造厂、苏 州非金属矿工业设计研究院、长沙矿冶研究院等开发了各类型搅拌磨，在金属矿山、黄金、非金 属矿、钇工、涂料和粉末冶金行业得到应用。此外清华大学已开发出g t m 系列、s t m 系列、s t m z 系列各类型搅拌磨，其磨矿细度在1 i , m 以下，最近又推出了1 0 0 0 l 、1 5 0 0 l 大型立式干法搅拌磨。 但国内与国外先进水平相比还有较大差距，主要表现在基础研究落后、品种有待增加、结构性能 有待改进和产品可靠性有待提高。 我国搅拌磨机的研制生产起步晚，水准低。八十年代中期有一个较大的发展。国内搅拌磨 机砂磨机虽有不少厂家生产，但品种规格较少，处理能力不大。而且自动化控制水平不高，大多 数处在人工经验控制阶段。这几年虽然基本能满足各工业部门的基本需求，而就其整体水平来说， 我国湿法搅拌磨的规格小、产量低、耗能大、产品粒度分布不稳定，与我国快速发展的造纸工业、 涂料业、油漆业、精细陶瓷工业、塑料工业、橡胶工业等工业领域的要求不相称。 近年来，我国湿法搅拌磨的生产是在低层次上的重复。相互仿制，相互保密，技术封闭严 密，严重的阻碍了我国搅拌磨的开发及提高。 工业发达国家如荚、日、德在超细粉碎技术和设备方面比我国有较大优势，关键是其设备 在结构、技术参数和性能等方面具有优越性，达到较高水平，其生产率高、能耗低、因此这些国 家矿物深加工的能力和产品质量居于世界领先地位。 目前搅拌磨的发展速度很快，在各行各业中得到广泛应用。国外的产品已趋完善，产品从 小到大已系列化。但随着工业的进步，各行各业提出了更高的要求。基于目前国内外搅拌磨机的 发展现状，可以看出我国搅拌磨机今后发展的趋势以及有待进一步加强研究的一些相关领域。( 1 ) 磨矿过程的模拟。国内外对磨矿过程的模拟十分重视，磨矿过程的模拟研究是磨矿过程优化控制 的基础，也是磨矿从实验研究走向理论研究的关键步骤：( 2 ) 研制开发新型的磨机结构。如改进 搅拌器的结构形式，以提高磨机的冲击粉碎能力，使磨矿效率高、能耗低、粉碎比大、粉碎极限 粒度小、使用范围宽以及更有利于超细粉碎，提高超细粉碎的效果；( 3 ) 提高搅拌器的转速。在 2 硕士学位论文绪论 增加线速度( 从1 4 - s 提高到1 6 “1 8 m s ) 的同时，发展大型化搅拌磨以适应大规模生产的需要 大型化的设备结构和拖动系统要考虑相应调整，优化结构设计闻题，降低造价和系统配套；( 4 ) 提高研磨介质的运动强度，研究新型搅拌器的结构和参数，以降低磨矿产品粒度；( 5 ) 加强搅拌 磨粉碎过程机械化学基础理论研究，选择使用不同物性材料粉碎的机械结构，发展商效、低耗的 新型搅拌磨专用设备；( 6 ) 采用新材料提高研磨介质和易损件的硬度和耐磨性。对用于非金属矿 深加工的搅拌磨要解决铁元素的二次污染问题；( 7 ) 增大搅拌磨破碎比，提高进料粒度，降低产 品粒度，扩大应用范围，降低粉碎成本；( 8 ) 改进搅拌简体结构尺寸，增加长度和直径比到8 1 0 以上，这可以减少筒鐾磨擦、稳定产品粒度和防止大颗粒漏磨。 1 2 拌磨机粉碎性能分析研究现状 搅拌蘑通过搅拌器旋转搅动研磨介质产生冲击( 研磨介质问相互冲击力、搅拌装置对介质 的撞击力) 、剪切( 研磨介质和物料之间的摩擦力) 作用是物料进行超细粉碎、混合和分散。因 此，搅拌磨既可用作超细粉碎，也可用作混匀、分散机。搅拌磨结构是由一个固定的研磨简体， 内填研磨介质和搅拌器形成粉碎室，最初使用砂粒介质又称为砂磨机。主要类型有塔式、槽式、 流通管式和环式。 粉磨是一种广泛而重要的生产工艺。但随着社会的发展和技术的进步，这种传统的工艺也 面临着巨大的挑战。一方面，代表不同粉末技术的粉磨设备处于不断的更新换代和发展中。早期 的粉磨设备采用球磨机，是种可靠性高、粉磨质量高的粉磨工艺，但也是一种能耗极大、噪音 和振动显著的粉磨工艺，能量利用率很低。在我国，目前球磨机仍是广泛应用的粉磨设备之一。 本世纪8 0 年代末至9 0 年代初，国内外的粉末工艺技术人员几乎同时提出了一种筒辊磨 ( h o r o m i l l ) 粉磨工艺，他综合了辊压磨节能球磨可靠与高质量的优点，是水泥行业的一种带有 革命性的工艺。正是由于其这种显著的特点，给厂家带来了潜在的巨大利润，各国都进行严格的 技术封锁。除产品可购买外，其设计、运行及粉碎过程机理等技术资料无从获取在实际研究这 种产品的过程中，也遇到了许多传统方法难以解决的困难，因此，我们必须更新自己的研究手段 和方法。 尽管粉磨技术及其粉磨设备的发展在能耗、噪声及污染等方面都在不断提高，但应该说， 总体而言还十分不够。特别是在能源危机、环保和可持续性发展倍受关注的今天，上诉技术及设 备与时代的发展和要求还相去甚远，这恐怕是无法逃避和必须面对的现实。 3 硕士学位论文绪论 另一方面，许多相关技术得到了突飞猛进的发展和长足的进步。特别是计算机技术的飞速 进步，为科学的发展提供了新的研究手段，使许多传统的方法难以求解的问题能得到实用的近似 解，因此而衍生的一些新技术、新方法和新工具在许多领域得到广泛有效的应用。从技术的角度 讲，所有这些进步也为粉磨的研究提供了新的有力手段、方法和工具。 我们认为，从更大的范围和高度上来看，寻求粉磨技术研究与相关新技术的结合，并谋求 突破、建立起全新的研究理论和基础，将会对粉磨的研究带来全新的发展前途。 目前有关计算粉磨领域的的研究已成为新的热点。计算粉磨( c o m p u t a t i o n a l g r i n d i n g ) ，c g ) ，是在传统的粉磨理论和技术基础上，结合现代信息技术而提出的一种全新概念。 它具有以下特征。 计算粉磨是一种集成化、多层次的理论构架，他不排斥已有的粉磨理论和技术，而是以此 为基础，同时吸取相关领域的最新理论与技术成果，进行有机的融合，形成粉磨研究的新理论、 新技术、新工具。 计算粉磨是一种全新的研究粉磨过程与粉磨设备开发的技术群落。粉磨设备的研究必须建 立在清楚相应粉磨过程的基础上；反过来，好的粉磨设备又有助于对粉磨过程更好的研究。因此 计算粉磨既包括粉磨过程研究的相关技术，又包括粉磨设备研制的相关技术，同时也包括融合沟 通两方面技术的中间技术。 计算粉磨具有产生和孕育研究及其设备的新技术、新工艺和新工具的潜在能力。计算粉磨 能够提供一种模拟粉磨过程及粉磨设备运转的全新空间，在这种仿真空间中，研究者可以多视觉、 全方位的观察和分析各种粉磨过程和设备运转情况，因而提供了潜在的创新手段和能力。计算粉 磨固有的特点也是其符合可持续发展的要求。面对当今世界人口、资源和环境三大难题，各国均 以法定文件形式确定可持续发展为2 1 世纪的产业发展模式。这种模式为粉碎技术提供了一个巨 大的创新空间，也是促进粉磨技术创新的动力之源，它必然要求粉磨研究从基础研究和工艺技术 两方面进行突破。 计算粉磨可分为核心理论与技术层、物理层、抽象层和应用层。如图卜1 所示。 4 硕士学位论文绪论 应用层 抽象层 物科数字模型 设鲁蔹宇模型 评价与优化模型 过程模型 物理层 图! 二!汁芽粉磨的层次结构 核心理论和技术层( 简称核心层) 的研究，包括粉磨过程机理和粉磨设备的设计与研制的 基本原理、基本理论、基本技术和方法等。由于磨机中粉碎过程十分复杂，粉体受到球与球、球 与筒壁或粉体颗粒自身的撞击、研磨，产生静强度或疲劳积累破碎。冲击破碎效果与填充率、料 球比等很多因索有关。为便于分析研究冲击粉碎能力，并作出相应合理的假设。根据疲劳积累理 论，产生疲劳破碎的条件为摊： 胡( m 物料受到的循环应力，肚确循环次数，n = f , t ， 反 复作用的频率，t ：历经的时间， 翻：抗疲劳系数，某一常数，由试验所得，可理解为粉碎某粒 颗粒所需的工作量) 。以此为出发点，建立起冲击粉碎模型。由于磨机的粉碎过程十分复杂，很 难建立起精确的数学模型，故对磨机的粉碎过程进行适当的简化。并提出“冲击粉碎能力系数” 的概念，导出其表达式，为磨机优化设计提供了判据，为提高粉磨效率提示了新思路。 物理层的研究，主要包括各种有形的物理设备及工具，如各种粉磨实验仪器、实际应用的 各种粉磨设备等。目前针对悬辊磨、振动磨机、离心磨机及干式超细搅拌球磨机等新产品的开发 及研制方面的论著比较常见，而对于湿式搅拌磨中新型搅拌器的开发及研制以及参数的优化还尚 未见到，因此，针对此方向的研究有待进一步深入和加强。 抽象层的研究，主要是借助计算机技术，用虚拟的方法，将许多现实中有形的、共同的东 西信息化，形成一些“信息基础构件”，如粉磨过程数字化模型、粉磨设备数字化模型等。 迄今为止，在很多文献中都记载有不同形式的球磨机工作过程的数学模型。其中最常见的 有两个。一个是粉磨静态模型或称矩阵模型，其基本形式是 户( 口舅( ，一5 ) 】f 式中：瑚碎产品的粒度分布，列矩阵 5 硕士学位论文绪论 枷碎函数，下三角矩阵 s 选择函数，对角矩阵 j 一幺矩阵 仁一入球磨机的物料粒度分布，列矩阵 另一个模型是粉磨总体平衡动力学模型，即矩阵模型与动力学模型结合的模型，基本形式 是 j ( 幻= - ( o ) e x p 一( ，磅s t 式中：扣粉碎时间 有的论著为便于得出粉磨作业的数学模型，单独讨论了选择函数的计算方法，从而为粉磨 作业的计算机仿真奠定了基础。 国内外论著中，尚未见到有关建立搅拌磨冲击粉碎数学模型及计算机仿真分析研究搅拌磨 粉碎性能的论述。 应用层的研究，是利用以上层次内容，对粉磨进行更有效的开发和应用研究，它可以是完 全脱离实际设备运转上的虚拟研究。 1 3 本文的主要工作 本文论述一种新型的具有高效粉碎作用的球磨机，该装置的特点是置介质和粉体于静止的滚 筒中，滚筒中的搅拌器以定角速度转动，当物料均匀地穿流通过快速运转的搅拌磨的介质层时， 物料除了受到强烈的研磨、挤压、剪切粉碎外，还达到了良好的均匀混合且起到了延长物料在腔 体内滞留时问的作用。搅拌磨与普通球磨机的不同之处在于搅拌磨中的搅拌器以转动的形式将动 能传递给磨介，以使磨介间获得充分的输入能，从而研磨物料更易达到所希望的粉碎细度。而普 通球磨机是靠磨机简体旋转带动磨介运动从而将动能传递给磨介，以使磨介间获得输入能，从而 使磨介间的物料被冲击、研磨粉碎。普通球磨机的致命弱点是磨介闻的研磨效果较差，而且腔体 中心易形成空洞，被研磨的物料易从中心空洞处逃逸形成“短路”而来受到介质的冲击及研磨作 用，因而产品粒度较粗，分散性较大。而搅拌磨正是克服了普通球磨机的上述缺点，避免了物料 从中心“短路”通过，因而粉碎效果好，产品粒度细，分布范围窄。然而，由于介质在搅拌器的 作用下，在简体内作曲线、斜抛、碰撞等复杂运动，这就给理论分析带来困难，目前尚未见到对 该种新型磨机较为深入和系统的分析和论述。本文试图从搅拌器的基本运动出发，进行必要的假 6 硕士学位论文绪论 设和简化，建立起新型磨机介质的运动学和动力学数学模型，在此基础上对磨机的冲击粉碎能力 更进一步地分析研究和比较。 对磨机进行冲击性能分析并优化技术参数，从而克服了目前磨机机型小、冲击性能差、能耗 高等缺点，为超细加工提供一种理想设备。因而本课题的研究具有较大的理论和适用价值。 综上所述，本文拟完成的工作主要包括以下几部分： ( 1 ) 搅拌磨机磨简内流态化运动的建模，数学模型的算法构造及流场分析： ( 2 ) 磨筒内介质运动数学模型的建立及状态分析； ( 3 ) 介质类型及尺寸对磨机粉碎性能影响的探讨； ( d 磨机的最佳工作状态及过程优化； ( 5 ) 利用计算机仿真对磨机冲击粉碎进行辅助分析研究： ( 6 ) 磨机结构设计特点综述； ( 7 ) 对新型磨机样机实验数据测定，进行验证计算，并提出改进措施。 7 碗士学位论文 搅捧球磨机的结构形式特点 2 1概述 第二章搅拌球磨机的结构形式特点 近年来，我国超细粉磨技术发展迅速，各种类型超细粉碎设备在国内都能生产，某些设备 的技术性能及系统工艺逐渐接近或达到国外同类设备的水平。超细粉碎技术发展的关键在于研制 出一种优良的粉磨设备结构形式以及最佳的粉磨分级工艺。超细搅拌球磨机的应用在我国超细粉 体加工领域起步较晚，近年来，这类设备的研究和开发有相当大的突破，是今后超细粉体加工领 域中的主导设备之一。 搅拌磨是超细粉碎机中最有发展前途而且是能量利用率最高的一种超细粉碎设备它与普 通球磨机在机理上的不同点是：搅拌磨的输入功率直接高速推动研磨介质来达到磨细物料的目 的。搅拌磨内置搅拌器，搅拌器的高速回转使研磨介质和物料在整个简体内不规则的翻滚，产生 不规则运动，使研磨介质之间产生相互撞击和研磨的双重作用，致使物料磨得很细并得到均匀分 散的良好效果。 2 2 超细搅拌磨机的粉磨机理 超细搅拌球磨机是 通过一套高速旋转的搅拌 装置，在密封的搅拌筒内 不断冲击和驱动介质球， 使之做无规则运动。由于 介质球的随机高速运动， 使得介质球与介质球之间 产生高能量的冲击力、摩 擦力和剪切力，其综合作 用的结果导致了物料粒径 图2 一i 早期典型的搅拌磨结构示意图 【a ) 立式敞升型：l b j 爵式封闭型 i 一冷却夹套；2 - 撞拌嚣；3 丹质球；4 一出料口；5 一进料口 8 硕士学位论文 搅拌球磨机的结构形式特点 迅速减小及均匀分散，促使研磨区达到高效率的超细粉磨效果。另外，搅拌简内壁的特殊结构形 式以及不同搅拌棒( 或搅拌盘) 形状、长度以及数量是能否提高超细粉磨效率的关键。 2 2 1 两磨球问的颗粒捕获 在球磨机中，粉碎过程是通过研磨介质 之间的挤压力和剪切力完成，任一颗粒只有在 活性区( 有效区) 被捕获，并在该区域内集聚而 被粉碎，图2 - 2 表示了以纯几何状为着眼点的 粉碎有效区域。一颗直径为2 ，的物料在两个 相互接近半径为斤的研磨介质之间只能在这 种范围内被粉碎，也即当这两个研磨介质的问 距小于2 ，的这范围内。两研磨介质之间的 粉碎有效区域为 v 、1 2r ( r + l 3 r ) 罔2 - 2 两磨球闻的有效耳 实践证明，磨机中的该有效粉碎区域系两个研磨介质之问有效粉碎体积与接触位数量之乘 积。 在研磨机中研磨介质除了平移运动外还 作旋转运动。此外在旋转的研磨介质周围还存 在着一个极限层。当两个研磨介质接近时，处 于中间的流体受到一个挤压的流动作用。研磨 介质问的流体受挤压所受的力f 同研磨介质 的直径文流体粘度f 、研磨介质的接近速度 和研磨介质的间距有关。图2 - 3 为这一关系 的近似图解，近似式为，一f t h 3 。 2 2 2 应力强度 f v , 【 t i f u i 图2 - 3 两个母i 蘑介嗑脐畦流动的力 球磨机是以球作为研磨介质，相邻两球间微过程的应力强度变化范围较宽，取决于有效区 9 镞 硕士学位论文搅拌球磨机的结构形式特点 大小和磨球移动的动能。球磨机单位体积磨球的动能品可用下式表示 = t ( 2 d ，) do b 式中口球磨机磨简直径，- i 删拌器直径，- ，手系数， 二0 0 1 z 抛, 棚向速度， 皿屈；店磨球密度，妇屈。 从单位体积磨球动能疡可导出有效区颗粒吸收能吕 瓦2 搞 式中一磨球体积，m 3 ；一有效区体积；以一颗粒密度，七g t t 3 j 知一颗粒床中颗 立层空隙率。 因为搅拌磨对物料的粉碎是依靠磨介的研磨及剪切力，因此，在搅拌磨中所使用的介质球 直径较小，一般为0 3 - 1 0m ，从而使得球与球问的有效粉碎区增大。 2 3 搅拌器的结构形式 如何选用搅拌器的形状是超细搅拌磨能否充分利用每一个介质球参与粉磨作业的关键，同 时也是能否最大限度地降低搅拌轴工作扭矩和搅拌器工作阻力的关键。理想搅拌器形状可以使介 质球和物料，在高速运动时形成类似于流态化状态，增加介质球随机性和物料的自磨性，粉碎效 率可以大幅度提高。一般搅拌器形状可分为圆形棒、矩形棒、圆形盘和三角形棒。一般认为圆形 盘搅拌装置更适合湿法超细搅拌磨。另外搅拌棒的数量、长度和分布情况也是考核超细搅拌磨一 个很重要的指标。通常认为增加搅拌棒数量可以提高粉磨效果，但实践表明，搅拌棒的数量太多 并不一定是好事，如果搅拌棒的数量不足，有可能造成“死球”现象。搅拌棒的长度尺寸非常重 要，搅拌棒的最佳作用点并不在搅拌筒内边壁处，也不再搅拌筒中心，而是大约在中心到边壁距 离的2 3 处。搅拌棒过长增加阻力，搅拌棒过短又起不到最佳搅拌作用，因此应该很好地设计搅 拌棒的长短分布。对于搅拌轴的支承问韪，目前无论是干法或湿法超细搅拌磨较多的采用单支承 轴结构，但是由于搅拌轴的高速旋转，搅拌轴如果能够采用双支承结构，那么搅拌轴的稳定性和 搅拌棒的耐磨性方面可以得到很好的改善。常见的几种搅拌器结构形状如图2 4 所示。 0 硕士学位论文搅拌球磨机的结构形式特点 f b )( 口) 图24 不同结构的搅拌器 ( a ) 圆盘形：( b ) 圆环形：( c ) 异形；( d ) 销棒形。 2 4 一搅拌筒的结构形式 目前国内超细搅拌球磨机普遍采用圆形结构的搅拌筒，搅拌筒的长径比一般为0 8 - 1 5 。 搅拌简内壁嵌的耐磨衬板，衬板材料根据不同的研磨物料可以是金属材料或非金属材料。搅拌筒 外壁包裹着控制温升的水套，水套内的流动水通过外循环冷却进行热交换。为了使球在运动时产 生不规则紊流作业，防止其在简体内共转，搅拌筒内壁应安装“折流板”。 李j ：鹚一簿二二二二荔一菇= 二 以且 “一一一甲 一 ，阿 f【r i - - 一- o l 二二二二二7 图2 - 5 不同形状的蘑腔结构 ( a )圆柱形；( b ) 圆锥形；( c ) 四方形；( d ) 棱形；( e ) 上翘形。 2 5 搅拌器的转速确定 超细搅拌磨之所以能够对物料进行超细粉磨，主要原因之一就是它具有高转速的搅拌驱动 硕士学位论文搅拌球磨机的结构形式特点 装置，这也是传统球磨机所不具备的。传统球磨机在生产实践中，既希望磨内研磨体在产生最大 粉磨功的条件下运转，一搬认为最佳的转速能够保持研磨体的总降落高度为最大值时，能产生最 大的粉磨功。因此，传统球磨机是靠消耗大量的提升势能来达到最大降落高度的，其结果是浪费 了大量的能量。为了得到最大的粉磨功，通常采用7 0 8 0 的临界转速，称之为适宜转速，即： m = 4 2 4 ，矿，n f 3 2 ，矿1 s 式中皿磨机的临界转速，怕如： 彬一磨机的适宜转速，以如； d 一磨机的内径，- 。 超细搅拌磨可根据超细粉磨物料的不同，分为低速和高速低速搅拌球磨机主要适应于比 较坚硬的难磨的物料，介质球尺寸相应较大，其转速范围一般为1 1 5 4 5 倍的临界转速：高速 搅拌球磨机则更适宜于超细粉碎，相应的介质球尺寸要小，转速通常可达到5 “2 5 倍的临界转速。 由于搅拌磨在高临界转速下进行粉磨，这对介质球和搅拌器的耐蘑性提出了更高的要求，而且对 原料的粒度有比较严格的限制。 2 6 搅拌磨的一般特点及应用 2 6 1 搅拌磨的一般特点 与普通球磨机相比，搅拌磨具有如下特点： ( 1 )高磨机转速和高介质填充率使搅拌磨机获得了极高的功率密度，从而使细颗粒物 料的研磨时间大大缩短。即能量利用率高，与普通球磨机相比节能测上。 ( 2 )采用小尺寸研磨介质，大大提高了微细物料的研磨效率，可以有效地磨细物料至 1 u 血以下。 ( 3 ) 结构简单，操作容易。 ( 4 )产品粒度分布均匀且容易调节，能沿结晶面解离，并极易获得所需产品粒度。 ( 5 )机械振动小，噪音低。 ( 6 )节约钢耗。有资料表明，与普通球磨机相比，节约球耗舶j ，僦 2 6 2 搅拌磨的应用范围 确士学位论文 搅拌球磨机的结构形式特点 ( 1 )矿山行业的再粉碎； ( 2 ) 化工行业细磨作业： ( 3 )非金属深加工行业： ( 4 ) 粉末冶金、硬质台金、磁性材料等行业； ( 5 ) 蘑料、精细陶瓷等行业。 2 7 影响搅拌磨粉碎效果的主要因素 由于搅拌磨主要是通过磨筒中央的搅拌器将能量传给研磨介质来使物料粉碎，其粉碎效果 的好坏，取决于能量的转化利用率及能量在磨筒内的消耗情况。为了提高磨机的功效，必须研究 磨机的各种作用过程及能量消耗情况。 影响搅拌磨粉碎效果的主要因素有如下三个方面： 1 物料特性参数 物料特性参数包括强度、弹性、极限应力、流体( 浆料) 粘力、颗粒大小及形状、液体及 固体物料的温度和研磨介质温度。 2 过程参数 过程参数包括应力强度、应力分布、单位能耗、通过量及滞留时间、物料充填率、固体浓 度、转速、温度、界面性能等。 3 结构形状及几何尺寸 结构形状及几何尺寸包括搅拌磨腔结构及尺寸、搅拌器的结构形状及尺寸，研磨介质直径 及级配等。 以上介绍了球磨机的主要结构形式及特点。卧式搅拌磨应用范围较广，广泛应用于化工、 材料、涂料、油漆、染料。造纸、轻工等领域。产品细度一般都可达2 蛆左右，是一种很有发展 前途的机型。而目前针对盘式搅拌磨的基础理论研究工作开展甚少，以下将结合盘式搅拌痞样机， 建立起磨机磨筒内液流流场的数学模型，在此基础上分析流场中磨球的运动并进行数值分析，以 达到分析主要技术参数对粉磨效果的影响的目的。 硕士学位论文流态化数学模型的建立 3 1 简介 第三章流态化数学模型的建立 介质搅拌磨成功地应用于产品的细磨和超细粉碎，它一般由位于固定磨简中心的搅拌器所 构成。磨筒中装有研磨介质( 通常为玻璃球、钢球或陶瓷球) 以及含有产品颗粒的悬浮物，介质 的填充率通常在o 7 与o 8 5 之间变化。产品一液体一介质所组成的混合物的搅拌，在磨筒中产生 特征流态，这种特殊的流态决定了具有高粉碎强度区域的空间分布。 s c h w e d e s 、w e i t 和s t e h r 的研究已表明，能比输入( 输入磨筒里的净能与粉体质量或体 积的比值) 是决定粉磨效果的关键参数。能比描述了磨机尺寸、搅拌器圆周速度、悬浮物固体颗 粒浓度以及磨球密度对粉磨效果具有较大范围的影响。因而，能比的相应值将说明粉磨效率的特 征，而不需弄清楚依赖于磨球和悬浮物运动的起决定作用的粉磨机构。有关这方面更进一步的研 究表明，除能比外，磨球尺寸对粉磨效果影响极大。所以，能比输入和磨球尺寸的综合考虑对粉 磨效果的预测非常重要。由于磨简内的流场决定磨球的运动以及能量比耗，故可根据磨筒中一些 物理现象来推断磨球尺寸和能量比耗与粉磨效果之间的物理关系。 综合考虑以上因素，可进行磨筒中流场的理论研究，以及能比输入、搅拌盘圆周速度和磨 球密度及尺寸对粉磨效果方面影响的实验研究。本章主要进行理论分析，主要论述磨简中与流态 化相关的数值计算、能量分布及单个磨球的运动。 3 2 计算步骤 磨筒中搅动的物料一介质混合流体的运动过程非常复杂，依照脚_ 如和h d n l e 的论述，它与 “个参变量有关，且只能用近似方法计算，从数学曩点看，是可实现的边界问题。本文数学模型 的建立基于搅动层流和单相牛顿流体力学( 无磨球) 。可采用有限差分法或有限元法构造算法。 有关介质中整个能耗的实验研究表明，在磨筒中有无磨球应具有相似的流态化运动，可用模拟程 序计算搅动牛顿流体的流态化运动。此外，由预先确定的流态直接计算磨筒中能比的分布情况a 最后再研究分析处于搅动流体的流态化的单个磨球的运动。 1 4 硕士学位论文流态化数学模型的建立 3 3 物理模型的建立 圈3 一l 搅拌磨结构 图3 - 1 所示为一典型的单支撑盘式搅拌磨样机。其几何尺寸及 无量纲化尺寸( 与搅拌盘外径之比值) 列于表3 - l ：r 轴 表3 - 1 磨机尺寸 3 4 流态化基本方程组 r f 径向j 向jl 一。 为了确定流场，守恒定律应用于计算域，在稳态情形下，可应用牛顿流体的层流搅拌，径向、 切向和轴向动量定理和质量守恒定理等。结合流体力学中的n a v i e r s t o k e s 方程和连续方程，二 1 5 硬士学位论文 流态化数学模型的建立 者基于柱坐标系统表示成如下通用形式： 芸( r u 中一专韵+ 鲁 r 施一专割= s 。 ( 3 _ 1 ) r ：p r d v , 刁 一r 一处搅拌盘的圆周速度。( i s ) 径向速度( 与之比所得) ； h r 一切向速度( 与盼之比所得) ； r _ 釉向速度( 与b 之比所得) ； 矿液流密度，( k g l m a ) ： 矿? 动态粘度，( p as ) ： j d 一压强( 与卢嵋之比所得) ； 表3 2 通用变量士和& 的表达式 ( 3 2 ) 守恒方向 o s t 定律 动量径向( r ) 口 一，鱼+ 。： o r 一i 【石【7 冽一+ 7 刮j t ，别 切向( 伞)9 一一2 亟堕 r 西 轴向( z ) 一，虫 质量 jo 6 硕士学位论文流态化数学模型的建立 位于磨筒中心的搅拌器由6 个均布的搅拌盘组成。假定磨机端部对流态无影响，放需要计算 的区域可限定于图3 一l 所示的“计算域”内。 方程( 3 - 1 ) 中，中和& 需分别由表3 2 中的表达式代替。 方程( 3 1 ) 和表3 - 2 所表示的整个方程系统可用无量纲化后的标准的形式表示出。径向和 轴向坐标，和z 与搅拌盘外径忍之彪所得，径向、轴向和切向速度口，r 和r 与搅拌盘圆周速度 v a 之比所得，压强p 与物料p 嵋之比所得，雷诺数( 参看方程( 3 2 ) ) 起因于动量定律中的无量纲 化，它依赖于流体的密度p 、动态粘度目以及h 和尼。影响液态流的所有参数均出现在雷诺数 中，所以，雷诺数就是描述磨机运转状态的唯一参数。 以上构成了计算速度场的完整方程式，可先行求解。获得速度场后，再求解能量方程。 3 5 方程的离散化 3 5 1 基本方程组的特点 由于本问题中边界几何形状规则，边界条件简单，故采用有限差分法。从基本方程组的角度 看，有如下的几个特点： ( i )统一性。可从方程的通用形式不难看出。通用方程变形如下： 令r = 二，则有： r 芸。u m ，+ 鲁拉砷，= 芸( r 为+ 丢( r 鹁+ c 。埘 其中，左边两项均为对流项，右边前两硬为扩散项，最后一项& 为源项。凡是不能纳入对 流项和扩散项的都归于源项。 ( 2 )方程组是非线形的。因为方程中的因变量m 及其导数项前的系数不仅仅是坐标的函 数。 ( 3 )各方程之间是相互耦合的。如动量方程之间通过对流项耦合；动量方程与连续方程 之间通过压力p 耦合。 鉴于第二、第三个特点，方程组不能取得解析解，只能以数值方法求解，不能用直接法求解， 1 7 硕士学位论文流态化敛学模型的建立 必须用迭代法求解。 第一个特点，使我们可对各方程采取同样的差分格式和求解方法，可用同样的程序来处理每 一个方程，只需在进入程序之前给出相应的s 。和边界条件，就可解出m 变量，如此重复调用该 段程序，就可完成全部变量的求解。 3 5 2 差分方程 建立差分方程一般有二个步骤：( 1 ) 求解 区域的离散化；( 2 ) 微分方程的离散化。 3 5 2 1 求解区域的离散化 1i 一一彩扬= _ 一 肜衫 黝曼 一 l p 。c jj 在流场的计算过程中，经常对速度分量采 盈3 _ 2 交借同格 用特殊的网格。而对全部标量采用另一种网格， p _ 所考虑的氚p d 点的精g 结点 肿曲u 鲒点；h _ p 曲v 蚰点 见图3 2 。这种构成的网格称为交错网格。根据 本问题流体流动的特点，在，z 方向上可取均匀网格。 3 5 2 2 微分方程的离散化 群 一i h+ 一【h 抖：j 卜 h oo 卜 h - i jl 上上 h i _ h 一l h i 一_ 卜十 一l h - i 一1h 中 h 1 广 h oj 卜 h 1 一 jl l h | - j 一 忖i 一1h刊 h | -1 卜十 习 卜t - - 一 z 图3 3 求解区域的寓教化 墨 n - 了膨男f k 髟刃 i 盹一一e 广“7 - 量一r w 一 确l - 一 q i j il s ， 、，、厶， 1 8 1 车1 0 4 韩制鸯棚 r 对于一个己知的微分方程，可以用不同方法推导出所要求的离散化方程。本文将采用控制容 芸( r u 曲十乏。神巾v fl a r 一抛、 a r 。油、i f 一。 “ 2j l 石l “_ j + 7 zl “副l 【i + j 沁曲 昙( 一面一r 蓦+ 乏( r 一r 笔渺d z = ；s 。d z 比 珈一尺翔圳匕盟掣一 一睁神一r 熬卜一r 飘| j - ( r 葛。= 元 j ( r 飘= 民瞀l “刊。2 气1 嫡jl “矾。弋五厂 至于( r w 由) e 和( r w 中) v 与m 的分布有关，不同的分布得到不同的差分格式。先假定液流由右 向左运动，则在一横断面一h r b - - 个明确的流体流动方向，故而采用迎风格式，即 。f 中。 w 0 ”一1 中。 w0 1 9 足。游刁( 。帆r 中游”p 记 f = ( r 啦；。= ( 去) r h 卟r 矧缸 一 2 f e m 。一见 z 一中，) 一一d 。 。一嚷，十 乏耋：墨：昌 = 如 ，一中。) + f 日西， 式中 式中 如= d e ，d e f e