（材料加工工程专业论文）双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n j l -ll - 一 g r i n d i n gm e c l l a n | s ma n da o o u c a t i o nr e s e a r c h o ft h eb i - r o l l i n gm i l l k e w e ib a o s u p e r v i s e d b yp r 吐h o n g y i n g l i u n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y j a n u a r y , 2 0 1 3 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：婶 沙? 声明妇 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：胡辫 加侈年哆月“日 硕士论文 双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 摘要 双向旋转球磨机是一种低速运行的细磨机，除应用于常规材料的超细化外，还应用 于火炸药的超细化和金属粉末的合金化。对其研究主要集中在工程应用，而对其机理研 究甚少，这将阻碍双向旋转球磨机的工程应用和工业化生产。本文对双向球磨机的结构， 研磨粉碎机理和对超细c f l c 0 3 、超细炸药的制备技术及工艺进行了研究，本文研究内容 主要有： 首先，分析了双向旋转球磨机的结构对粉碎结果的影响，分别从简体结构，搅拌器 结构和衬板类型进行分析。分析认为：筒体的强度和形状在结构设计中需着重考虑，筒 体的形状设计为圆形是最佳方案。搅拌器作用是把能量传递给磨球，搅拌叶形状设计为 正交形销棒式，能有效传递能量和减少了因摩擦生热而产生的能耗。选择应用于细磨机 的平衬板作为双向旋转球磨机的衬板。 其次，从四个方面研究双向旋转球磨机机理，分别从介质运动形态，粉碎数学模型， 物料粒度变化机理和流场、能量进行分析研究。研究认为：双向旋转球磨机的介质为泻 落运动；双向旋转球磨机的粉碎机理是以摩擦粉碎为主，挤压粉碎为辅；粉碎过程中存 在粉碎一团聚一再粉碎这一动态平衡。把筒体内部划分为不同的区域，对其流场进行假 设分析，并得出不同区域的应力能和应力频率的强弱。 最后，利用双向旋转球磨机对c a c 0 3 进行球磨粉碎实验，利用s e m 和微、纳米粒 度仪对粉碎结果进行检测，探索出了该球磨机的最佳工艺参数。在这基础上，对r d x 和h m x 进行初步研磨粉碎实验，为双向旋转球磨机应用于火炸药的超细化提供一定参 考价值。 关键词：双向旋转球磨机，粉碎机理，超细化，c a c 0 3 ，r d x ，h m x 硕士论文 a b s t r a c t t h eb i - r o l l i n gm i l li sak i n do fl o w - s p e e dr u n n i n gg r i n d i n gm a c h i n e ，i ta p p l i e st o c o n v e n t i o n a lm a t e r i a l ss u p e r f i n e ，e x p l o s i v e su l t r a f i n ea n dm e t a lp o w d e ra l l o y i n g t h e i r r e s e a r c hf o c u s e do nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sa n dv e r yl i t t l eo fi t sm e c h a n i s m ，t h i sw i l l h i n d e rt h ee n g i n e e r i n ga m p l i f i c a t i o n sa n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o no ft h eb i - r o l l i n gm i l l w e s t u d i e dt h et h r e ea s p e c t so ft h eb i r o l l i n gm i l l ，s u c ha st h es t r u c t u r eo ft h eb i - r o l l i n gm i l l ， s m a s h i n gm e c h a n i s ma n dt h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s e so fu l t r a - f i n ec a l c i u m c a r b o n a t ea n de x p l o s i v e s t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , w ea n a l y z e dt h es t r u c t u r eo ft h eb i - r o l l i n gm i l lo nt h ei m p a c to fs m a s h i n gr e s u l t s ， s u c ha st h ec y l i n d e rs t r u c t u r e ，a g i t a t o rs t r u c t u r ea n db a f f l e st y p e a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e s t r e n g t ha n ds h a p eo f t h ec y l i n d e rw a sam a j o rc o n s i d e r a t i o ni nt h es t r u c t u r a ld e s i g n ，t h e r e f o r e t h eb e s td e s i g no ft h es h a p eo ft h ec y l i n d e ri sc i r c u l a r t h ea g i t a t o ri sa b l et ot r a n s f e re n e r g yt o t h eg r i n d i n gb a l l s t o e f f e c t i v et r a n s f e re n e r g ya n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nd u et of r i c t i o n ， t h es h a p eo ft h es t i r r i n gb l a d ei sd e s i g n e dt ob eo r t h o g o n a l - s h a p e dp i nr o d w ec h o s et h ef i a t b a f f l e sw h i c hh a v eb e e nu s i n gi nt h ef i n eg r i n d i n gm a c h i n ea s t h eb i r o l l i n gm i l ll i n e r s s e c o n d l y , w es t u d i e dt h eb i - r o l l i n gm i l lm e c h a n i s mf r o mf o u ra s p e c t s ，a sf o l l o w i n g ： m e d i am o v e m e n tp a t t e r n s ，c o m m i n u t i o nm o d e l ，t h em e c h a n i s mo fm a t e r i a l ss i z ec h a n g e ，t h e f l o wf i e l da n de n e r g y s t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h em o t i o no fg r i n d i n gm e d i am a n i f e s t e da s d i a r r h e ad r o p ，p u l v e r i z a t i o nm e c h a n i s mi sm a i n l yb a s e do na t t r i t i o ns m a s h i n ga n ds q u e e z e p u l v e r i z a t i o ns u p p l e m e n t e d t h e r ei sad y n a m i cb a l a n c ei nt h ep r o c e s so fc o m m i n u t i o n ： b r e a k a g e - - a g g l o m e r a t i o n - - r e - b r e a k a g e t h ec y l i n d e rw a sd i v i d e di n t od i f f e r e n ta r e a s ，t h e n w es p e c u l a t e do nt h ef l o wf i e l do fc y l i n d e ra n dc a m et ot h ed i f f e r e n tr e g i o n ss t r e n g t ho ft h e s t r e s se n e r g ya n dt h es t r e s sf r e q u e n c y f i n a l l y , t oo b t a i nt h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r s ，w et o o ka d v a n t a g eo ft h eb i r o l l i n g m i l lt os m a s he x p e r i m e n to fc a l c i u mc a r b o n a t ea n du t i l i z e dt h es e ma n dt h em i c r o a n d n a n o 。p a r t i c l es i z ea n a l y z e rt od e t e c tt h eg r i n d i n gr e s u l t s o nt h i sb a s i s ，t h ei n i t i a lg r i n d i n g e x p e r i m e n to fr d x a n dh m xw a sm a d e ，t h e r ew i l lac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h eb i r o l l i n g m i l la p p l i e dt oe x p l o s i v e su l t r a f i n e k e y w o r d s ：b i r o l l i n gm i l l ，s m a s h i n gm e c h a n i s m ，u l t r a f i n e ，c a c 0 3 ，r d x ，h m x i i 硕士论文 双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 目录 摘! 耍。i a b s t r a c t i i 1 绪论。l 1 1 课题背景1 1 1 1 超细粉体的定义和应用1 1 1 2 超细粉体的制备技术1 1 1 3 双向旋转球磨机简介2 1 2 球磨超细粉碎理论研究现状3 1 2 1 物料粉碎机理3 1 2 2 粉碎功耗假说3 1 2 3 球磨机介质运动学、动力学研究4 1 2 3 1 研究球磨介质运动的方法4 1 2 3 2 球磨介质运动规律的研究4 1 2 4 球磨机内部流场模拟5 1 3 双向旋转球磨机的应用研究及发展6 1 4 本文研究的主要内容和意义7 2 双向旋转球磨机的结构分析9 2 1 结构及其工作原理9 2 2 结构对研磨粉碎的影响9 2 2 1 筒体的分析9 2 2 2 搅拌器的分析1 0 2 2 3 衬板的分析1 2 2 3 双向旋转球磨机的研磨特点13 2 4 本章小结13 3 双向旋转球磨机的机理分析1 4 3 。l 球磨机内磨球运动区域的划分1 4 3 2 流场的假设分析1 5 3 3 简体的理论临界转速15 3 4 双向旋转球磨机的最小填充率16 3 5 介质运动形态的分析1 7 3 5 i 最小填充率下的介质运动形态1 8 i i i 目录硕士论文 3 5 2 简体内部的介质运动形态2 0 3 5 2 1 泻落运动的滚动形式2 0 3 5 2 2 泻落运动的坍塌和泻落形式2l 3 5 3 两磨球的运动形态2 1 3 6 三种粉碎机制及其数学模型2 2 3 6 1 摩擦粉碎模型2 3 3 6 2 挤压粉碎模型2 4 3 6 3 摩擦和挤压粉碎同时共存2 4 3 7 粉碎过程中物料粒度变化的机理分析2 5 3 7 1 粉碎极限粒度2 5 3 7 2 颗粒的团聚和破碎动态平衡分析2 6 3 7 2 1 破碎2 6 3 7 2 2 团聚2 7 3 8 应力能和应力频率2 8 3 9 能量分析2 9 3 9 1 能耗分析2 9 3 9 2 粉碎效率2 9 3 1 0 本章小结3 0 4 双向旋转球磨机球磨过程研究3 l 4 1 不同工艺条件下超细c a c 0 3 制备研究3 l 4 1 1 实验仪器、原料及助剂31 4 1 2 测试仪器和方法3l 4 1 3 实验过程3 2 4 1 4 实验结果与讨论3 2 4 1 4 1 c a c o 。原料的粒度分布图和s e m 图3 2 4 1 4 2 研磨时间对c a c o 。产品粒度的影响3 3 4 1 4 3 内搅拌轴转速对c a c o 。产品粒度的影响3 5 4 1 4 4 加入物料c a c o 。的量对产品粒度的影响3 6 4 1 4 5 球磨机填充率对c a c o 。产品粒度的影响3 8 4 1 4 6 不同液体对c a c o 。产品粒度的影响3 9 4 1 4 7 液体的量对c a c o 。产品粒度的影响4 0 4 1 4 8 助磨分散剂对c a c o 。产品粒度的影响4 2 4 1 4 9 超细化对c a c o 。热分解的影响4 5 4 1 4 1 0 超细化对c a c o 。晶型的影响4 6 i v 硕士论文 双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 4 2 一定工艺条件下制备超细r d x 和h m x 研究4 7 4 2 1 实验仪器、原料及助剂4 7 4 2 2 测试仪器和方法4 7 4 2 3 实验过程4 8 4 2 4 实验结果与讨论4 8 4 2 4 1r d x 原料粒度分布和s e m 图4 8 4 1 4 2h m x 原料粒度分布和s e m 图4 9 4 1 4 3 一定工艺下制备超细r d x 的研究5 0 4 1 4 4 一定工艺下制备超细h m x 的研究51 4 3 本章小结5 2 5 结论与展望5 4 5 1 结论和创新点5 4 5 2 展望5 5 墅； 谢。5 6 参考文献5 7 v 硕士论文 双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 超细粉体的定义和应用 根据目前对超细粉体技术的研究现状，我们把颗粒粒径1 0 0 d 于3 0um 的粉体称 为超细粉体【l 】，但是对于超细粉体更细致划分一般为【2 】：颗粒粒径处于1 0 p , m , 一- , 4 5 9 m 范 围的粉体称为细粉体：颗粒粒径处于l m l o p m 范围的粉体称为微米粉体；颗粒粒径 处于0 1 “m l g m 范围的粉体称为亚微米粉体；颗粒粒径处于0 0 0 1 “m o 1 9 m ( 1 n m - - - - l o o n m ) 范围的粉体称为纳米粉体。 当物质被超细化后，其表面的分子排列、电子分布结构甚至连晶体的结构都将会发 生变化，具有了纳米材料的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等各 种特有的性质，由于超细粉体具有这些特殊的性质，因此被广泛的应用在各个行业和领 域中【3 一。 1 1 2 超细粉体的制备技术 目前，超细粉体常用的制备方法主要有两种方法：机械粉碎法和合成法。 1 机械粉碎法【5 ，6 j 常用的机械粉碎设备主要有以下几种：( 1 ) 气流磨，主要借助高压射流把待粉碎 物料射入粉碎腔内形成撞击流，从而使物料被粉碎；( 2 ) 高速机械冲击磨，利用机械 的冲击作用，使物料在冲击力作用下被粉碎；( 3 ) 振动磨，通过机械的振动作用，使 物料受冲击力、摩擦力和剪切力而被粉碎；( 4 ) 搅拌磨( 包括各种砂磨机、塔式磨等) ， 利用搅拌器传递能量给研磨介质，使物料粉碎；( 5 ) 胶体磨( 包括均化器等) ，物料经过 定子和转子之间的空隙时，受到了剪切和摩擦作用被粉碎；( 6 ) 旋转筒式磨机( 球磨机) ， 物料在旋转的简体内受到研磨介质的冲击力、摩擦力和剪切力的作用而粉碎。表1 1 给 出了常用的超细粉碎设备的粉碎原理与产品细度【5 “l 。 机械粉碎法目前一般常用于生产原料大于l g m 的粉体。但有少数设备也可生产小于 l g m 的原料，例如搅拌磨等。机械粉碎法的主要优点是产量大、成本低，工艺较化学合 成法简单。其缺点是粉碎后的产品在纯度、细度和形貌等方面都不及化学合成法制备的 超细粉体。因此，目前主要采用机械粉碎的方法实现工业化生产大批量超细粉体。 l 绪论 硕士论文 表1 1 常用超细粉碎设备的粉碎原理与产品细度 2 合成法【5 6 j 合成法制备超细粉体的原理是离子、原子和分子之间通过化学反应，经过成核和长 大，形成了超细粉体，最后经过后续的收集、后处理等方法获得产品。常用的方法主要 有三大类：固相合成法、液相合成法和气相合成法。 合成法可用来生产小批量超细粉体，该法生产的颗粒细度能够达到1 p m 以下。该法 的优点是产品的粒度和形貌可控、颗粒的均匀性好，并且可生产纳米级超细粉，还能实 现颗粒在分子级水平上的复合和均化。然而合成法存在产量低、成本高和工艺复杂等难 题。 1 1 3 双向旋转球磨机简介 双向旋转球磨机结合了普通筒体式球磨机和搅拌磨机的优点，即简体内有搅拌器和 与搅拌器相反旋转的筒体，结合了两者粉碎力场，粉碎效率提高，同时减少能耗。该球 磨机主要用于物料的细磨，能够使物料的平均粒径达n 1um 以下，能够使用无污染的氧 化锆作为磨球，使得粉碎研磨产品的纯度得到保障。而且该球磨机除了能对常规材料研 磨粉碎，还可以应用火炸药的超细化和金属粉合金化，其安全性能也能得到保证。 本课题研究的对象是南京理工大学国家特种超细粉体中心自行研制的双向旋转球 磨机，该球磨机设计目的是用于火炸药的超细化，对该球磨机原理和工艺只是初步了解， 本论文在之前的研究基础上对该球磨机的原理和工艺进行进一步探索。 目前c a c 0 3 是一种重要的无机化工材料，具有原材料丰富、价格低廉、性能比较稳 定等一系列优点。其广泛应用于涂料、造纸、橡胶、塑料、油墨工业领域，其中在塑料 和橡胶领域中消耗量达n 6 5 t 。所以本课题选用c a c 0 3 作为探索该球磨机工艺的原料 具有较大的应用价值。 硕士论文 双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 1 2 球磨超细粉碎理论研究现状 1 2 1 物料粉碎机理 固体材料的粉碎机理非常复杂，难以对其进行精确的描述。固体材料大多都是通过 化学键的结合把元素质点连接起来，对其粉碎就是要破坏它们之间的化学键。当固体材 料受到的外力大于化学键的内应力极限时，化学键就会断裂，材料也就被破碎，机械法 粉碎都是通过这种机理来完成粉碎的。 根据g r i f f i t h 的微裂纹假说的分析，认为固体材料内部的质点通常并不是规则排列 的，材料内部是存在许多微小的裂纹。当材料受到拉力的作用时，材料的内部裂纹就会 扩散，应力集中将会出现在裂纹的尖端，因此将使得裂纹进一步发生扩散，最终导致材 料被破坏。其实在材料的粉碎过程中，固体材料常常不会发生宏观的破坏，而是材料内 部的裂纹逐渐在“长大”，同时内部也将会产生新裂纹，随着裂纹的不断生成与长大， 达到一定极限时，那么材料就会不断地被破碎【8 j 。 机械粉碎的机理是物料内部的裂纹因应力集中导致了物料被粉碎。根据g r i f f i t h 的 理论可知，只有当外界提供的能量和作用力大于物料的内应力时，物料才能被粉碎。一 般对球磨机而言，都是在特定的条件下运转，因而对物料的外作用力变化不大，只有通 过延长粉碎时间，赋予物料足够的能量，使得物料的裂纹增加，物料因疲劳而被破坏， 从而实现物料的不断细化【8 ，引。 1 2 2 粉碎功耗假说 较为普遍的三种假说【6 ，1 0 】，分别是雷廷格尔( p r i t t i n g e r ) 的“表面积假说”、基尔 皮切夫和基克( f k i c k ) 的“体积假说”，以及邦德( f b o n d ) 和王仁东的“粉碎能耗 的裂缝假说”。这三种假说给出了粉碎能耗同给料和产品粒度间的关系，在一定范围内 能准确地反映物料粉碎后的粒径分布。但是以上三种假说都有各自适用范围和局限性， 均不适用于超细粉碎作业，仅可作为参考。 据r t h u k k y 等人验证研究证明【lo 】：当粉碎物料的产物粒度大于5 0 m m 时，基克 假说是正确的；当粉碎物料的产物粒度在5 0 - - 0 5 m m 时，邦德假说正确：当粉碎的物 料产物粒度在0 5 - 0 0 7 5 m m 时，雷廷格尔假说正确。由此可见，在需要计算产物粒度 小于4 s u m 的超细粉碎作业的能耗时，这三种能耗学说并不适用。 m c k e r r 1 1 】研究认为超细粉碎的能耗规律非常复杂，不仅跟上述所说的给料粒度有 关，而且与物料本身的性质，粉碎设备类型，工艺参数和操作条件等因素有关。 双向旋转球磨机是在卧式搅拌球磨机的基础上改进而成，它是内部有搅拌器和外部 有旋转的筒体所组成的结构，筒体与搅拌器的旋转方向相反。它是利用搅拌器和旋转的 筒体加强能量的输入，它的能量转换、能量效率和筒体内部能量的分布，至今研究甚少。 l 绪论 硕士论文 1 2 3 球磨机介质运动学、动力学研究 1 2 3 1 研究球磨介质运动的方法 1 离散元素法( d e m ) u 2 j d e m 最早是由c u d a l l 和s t r a c k 1 3 1 提出的，是研究颗粒的动力学行为的一种数值模 拟方法。d e m 的主要原理是把颗粒视作为离散单元的集合，在牛顿第二定律的基础上， 得出离散单元的运动方程，求解颗粒的运动参数，从而推出颗粒的整体运动形态。m i s h r a 和r a j a m a n i 最早将d e m 引入了球磨机的相关研究中，之后在d o n g 和m o y s 、v e n u g o p a l 和r a j a m a n i 等人的研究下，为d e m 应用于球磨机作出了重要的贡献i l 制。 2 正电子发射粒子跟踪技术【l 5 j 正电子发射粒子跟踪是研究颗粒流动系统一种技术，应用于例如采矿业中的筒磨 机。它最初应用于医疗成像行业，如今英国伯明翰大学已把正电子发射断层扫描用于工 程应用。p e p t 能够长时间观察颗粒流动系统，从而描述颗粒的流动动力学和原位动力 学，其基本原理基于正电子的歼灭。被放射性元素标记的单个粒子，在放射性衰变时， 一种高能电子被激发，正电子附件的一个电子被歼灭，产生能量为5 1 1 k e v 的两个反向 共线的丫射线。一个探测器阵列( 在p e t 相机里) 检测到两条丫射线，同时沿着歼灭产 生的方向得出一条线。检测器在很短的时间间隔内检测几个歼灭的产生，这样就能在三 维空间上对示踪粒子的位置进行三角测量。 3 现代摄像技术 球磨机工作时，内部磨球的运动形式难以观察，通过把球磨机设计成透明的端板， 以便于相机拍摄球磨机内部介质的运动，然后对所拍摄的图片进行分析处理，得到介质 二维运动状态。 h d o n g 和m h m o y s 1 6 】等人利用摄像技术研究了二维球磨机的工作过程。设计直径 为5 5 0 m m ，长为2 3 5 m m 的实验用球磨机，采用磨球直径为2 2 2 5 m m 的钢球作为研磨 介质。在轴向上只能容纳一层磨球，以便任何时间都能观察到所有磨球，即称之为二维 球磨机。在不同的填充率和转速下，拍摄多组照片，便于对比，在相同的转速和填充率 下，间隔时间拍摄多张照片，对间隔拍摄所得图片进行分析处理，得出内部磨球的运动 形态。 1 2 3 2 球磨介质运动规律的研究 研究球磨机内介质运动的目的是，以球磨机的运动为着手点，进而找到球磨机内介 质的合理运动状态，为我们选择设置球磨机合理的工作参数提供依据；研究球磨机的有 用功率，不仅有利于我们研究球磨机的工作参数与有用功率之间的关系，而且为降低球 磨机的能耗和提高生产效率提供依据。 e w d a v i s 膪【1 7 j 人首先提出了对球磨机介质运动学进行分析，建立了d a v i s 理论一球 磨机介质运动学分析理论。最初，我国对球磨机介质运动规律的认识主要来源于前苏联 4 硕士论文双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 学者的两相和三相介质运动理论。后续有相关的学者对这一理论进行深入的研究，如戴 少生等人研究了蠕动区的介质运动状态，并推出了蠕动区的介质运动理论公式；孔庆安 等研究了带有角螺旋衬板的球磨机内的介质运动状态，并也推出了相应的介质运动理论 公式【1 2 l 。 后续的有关研究都是建立在以上理论基础之上。目前对普通球磨机和搅拌磨机的介 质运动形态分析研究较多，双向旋转球磨机中介质球运动状态、运动学分析及其能量转 换极其复杂，至今研究甚少。 1 2 4 球磨机内部流场模拟 近年来，基于计算机技术的数值模拟越来越多的应用在流体分析和机械设计中，其 中计算流体力学( 通常简称c f d ) 是一种有效的研究流体的三维流动状态的方法，它能 够描述复杂几何体内部流体的流动状态。c f d 技术具有以下一些优点【l8 j ：设计初期，能 快速地评价设计，便于及时对设计做出修改；设计中期，利用c f d 技术分析不同的设计 对流动状态的影响，降低因设计时考虑不全面而带来的不利因素；设计完成后，c f d 提 供各种数据和直观的图像，能够证实设计是否正确；c f d 技术能够很好的降低成本、缩 短设计周期和降低新设计产生的风险。因而，c f d 技术研究复杂几何体内部的流场问题， 将会具有广泛的应用前景。 m h v a k i l i m n a s re s f a h a n y 等【侈1 人利用c f d 法研究带有挡板的搅拌磨内部的紊流 流场状态，通过建立三室模型研究搅拌磨内部的非均质性混合，在模拟计算中采用多重 参考系的方法。并对搅拌器的速度影响，搅拌器尺寸，挡板宽度和搅拌器到简体底部距 离的计算进行了研究。 他们研究了c f d 法模拟带有挡板的搅拌磨内部的流场，把筒体内部分为三个区域进 行研究：高能量耗散率的叶轮区，相对高能量耗散率的挡板区，具有较大的流动循环且 相对较小的能量耗散率的区( 叶轮和挡板之间的区域) 。通过两种方法确定这些区域的 边界：一种是能量耗散率梯度，一种是累积能量耗散率，湍动能耗散率梯度方法因简单 而具有一定优势。在所有的区域中，湍动能耗散率随着搅拌器的速度增加而增加。湍动 能耗散率和湍动能都随搅拌器尺寸改变而出现显著变化，但当挡板和流动循环区域变化 时，却没有明显变化。 通过模拟计算确定了三室模型的参数，分别为叶轮和挡板区域的体积比，叶轮和挡 板区域的平均湍动能耗散率比，叶轮循环和挡板循环之间的交换流率。在模拟过程中分 别研究了湍流特性和能量耗散的体积密度分布，团聚速率的影响因素，叶轮尺寸和叶轮 间隙，挡板的宽度。 m i y a z a k i m 等【2 0 】人应用p e m ( p a r t i c l ee l e m e n tm e t h o d ) 模拟双向旋转球磨机运行 功率，通过引入合理的边界条件，得出了适用于估算叶片旋转过程的功率，也适用于复 l 绪论 硕士论文 杂结构旋转介质磨机的磨球运动。双向旋转球磨机的叶片运行的功率估算是基于粒子的 离散元法模拟磨球的运动来实现。在磨球的运动模拟中需引入旋转叶片上的边界条件， 通过把磨球运动所处的工作空间划分为保存模拟时间来计算球磨机的估算功率。得出一 些结论：( 1 ) 实际和估算的功率是随着转速的增大而增大，然而功率仍然处于比较低的 值，当外简体速度较低时，内搅拌器的转速决定功率的大小：( 2 ) 磨球介质的转动会导 致功率在高转速时下降，估算的功率与实际情况相吻合。 国内外对双向旋转球磨机内部流场模拟的研究甚少，相信随着c f d 技术的日益成 熟，可以实现c f d 技术应用于双向旋转球磨机的流场模拟，从而将实现从以往工程应用 的理解到理论研究的转变，为进一步研究双向旋转球磨机提供理论指导。 1 3 双向旋转球磨机的应用研究及发展 双向旋转球磨粉碎机的结构简单，生产效率高，占地面积小，易实现工业化生产。 不仅它粉碎的物料产品粒度能达到超细粉体的要求，而且还可以对多种粉体进行混合、 均匀化和表面改性处理。 本实验所用的双向旋转球磨机是南京理工大学超细粉体中心研制，国外有关文献很 少。其中m m i y a z a k i ，j k a n o 等【2 1 1 研究了双向旋转球磨机和普通球磨机对高岭土非晶 化影响，并利用d e m 研究了磨球的运动形式，研究结果发现：( 1 ) 双向旋转球磨机研 磨得到非晶化高岭土所用时间比普通球磨机少；( 2 ) 磨球的冲击能比普通球磨机高5 倍之多；( 3 ) 当研磨的产品非晶化程度达到8 0 时，双向旋转球磨机的磨球介质总的 动能比普通球磨机要低很多。 国内对其应用研究单位主要是南京理工大学超细粉体中心。刘宏英等1 2 2 】利用双向旋 转球磨机对点火药用硅粉进行超细化实验，研究了双向旋转球磨机简体和内搅拌器转 速、球料比、时间、磨球直径等工艺参数对产品粒度影响；对硬质木炭、竹炭进行超细 粉碎实验【2 3 j ，研究了工艺参数对粉碎效果的影响，并与普通球磨机和普通搅拌球磨进行 了对比实验，在相同条件下，双向旋转球磨机粉碎的效果和节能方面都最好；对易燃易 爆金属材料及无机材料进行超细化、或合金化、或超细与片状化实验研究【2 4 1 ，结果表明： 双向旋转球磨机粉碎效果最好；他们还利用双向旋转球磨机进行金属粉末的合金化与片 状化j ，通过设置合理的粉碎工艺，实现了把金属粉粉碎到3 m 以下且呈片状化。 顾志明等【2 6 】在专利中利用双向旋转球磨机对混合后的原料进行超细粉碎，采用这种 制备方法，不仅能缩短还原染料的粉碎时间，还降低了粉碎能耗和加工成本。 但是，目前对于双向旋转球磨机的理论研究很少，都是在生产经验基础上对其进行 研究和应用。 硕士论文双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 1 4 本文研究的主要内容和意义 本论文在国家超细粉体中心对双向旋转球机和有关文献的研究基础上，对该球磨机 的原理和工艺进行探讨。主要从球磨机内部介质的运动形态、物料的粉碎机理和研磨工 艺等方面进行研究，并在c a c 0 3 的研磨实验的基础上，对火炸药进行初步研磨粉碎研究。 本文主要研究内容如下： 1 对双向旋转球磨机的结构进行分析，分别分析球磨机的筒体、搅拌器、衬板结 构对研磨粉碎结果的影响，结合结构分析得出了双向旋转球磨机的研磨粉碎特点，为后 续的c a c 0 3 实验研究提供理论指导。 2 从对简体内部划分几个区域入手，分析几个区域的速度梯度、应力能和应力频 率，得出要使球磨介质经过速度梯度大和应力能大的区域才能具有较好的研磨粉碎效 果，与此同时根据相关文献对卧式搅拌磨的流场分析，本论文对双向旋转球磨机的内部 流场提出了初步的假设。 3 提出了双向旋转球磨机的最小填充率，并计算出最小填充率，同时研究最小填 充率下的介质的运动形式一泻落运动，从而得出双向旋转球磨机的介质运动形式主要是 泻落运动。 4 探讨了球磨机粉碎过程的机理。双向旋转球磨机主要是摩擦粉碎和挤压粉碎， 分别探讨了这两种粉碎模型，并给出了数学计算表达式。 5 分析了球磨过程中粒度变化的机理。即球磨过程中粒度存在极限粒度，而且在 球磨过程中存在粉碎一团聚一再粉碎这一动态平衡，并用数学表达式的形式给出团聚和 粉碎过程粒子的数量变化关系。 6 最后通过实验研究探索双向旋转球磨机的工艺参数。利用研磨粉碎c a c 0 3 实验 得出了最佳的工艺参数，在这个基础上，我们对r d x 和h m x 的研磨粉碎进行了初步 的探索，根据结果显示，双向旋转球磨机能够在安全前提下实现r d x 和h m x 的超细 化。 双向旋转球磨机优于普通卧式球磨机，丰富其理论研究和应用研究具有重要的实用 价值。双向旋转球磨机主要用于火炸药的超细化，不仅产物的粒度能达到要求，而且其 安全性能也能够得到保障，因此其在火炸药的超细化方面具有极大的优势。 在论文中研究双向旋转球磨机的结构对研磨粉碎的影响，分析了其结构设计方面的 优势，进一步理解球磨机内部的粉碎力场和发生粉碎的主要区域。研究其内部流场和介 质的运动规律对于改进设备结构具有重要的参考价值。了解粉碎模型和粉碎过程中的极 限粒度，能够有效的降低能耗，从而实现粉碎目的和节能这两者的共赢。利用实验确定 双向旋转球磨机粉碎r d x 和h m x 的工艺参数，虽是初步的探索实验，但是能够为后 续的火炸药超细提供参考价值。 l 绪论 硕士论文 本文中只是对球磨机内部流场提出了初步的假设，相信以后随着c f d 模拟技术的 发展，应用c f d 模拟双向旋转球磨机内部的流场，通过模拟结果能够较准确的验证球 磨机的机理，这种技术不仅能够降低成本，而且能为球磨机的设计和改进提供依据。 硕士论文 双向旋转球磨机的粉碎机理及应用研究 2 双向旋转球磨机的结构分析 2 1 结构及其工作原理 双向旋转球磨机是南京理工大学国家超细粉体中心自行研制的球磨粉碎装置，其结 构如图2 1 所示j 有效粉碎区域的主要结构包括简体、简体内部的空腔、搅拌装置和内 置在简体内壁上的衬板。内置与简体相反方向旋转的搅拌轴通过筒体的空腔和端面盖 板，在筒体空腔内设置搅拌棒，与端面盖板连接的简体支撑件对称的设置在简体空腔外 的内旋转轴上，与外简体相配合的外筒支撑轴承和带动简体旋转的传动机构分别设置在 外筒支撑件上，支撑内旋转轴的轴承和传动机构分别设置在内旋转轴上【2 7 1 。 其显著的结构优点是：在普通的卧式球磨机的简体内部增设与筒体反向旋转的搅拌 装置，结构简单，易于实现，这种反向旋转的搅拌装置增大了磨球的运动速度，筒体内 部摩擦、挤压、剪切和碰撞作用增强，有效粉碎区域增加，提高了生产效率，降低了生 产成本。尤其是中空的筒体壁和带有通孔内旋转轴的设计( 图中没有画出) ，便于球磨 时通入冷却水进行冷却散热，而在球磨易燃易爆物品时，这种带有冷却装置的球磨机安 全性能好【27 1 。双向旋转球磨机筒体内腔能制成密封环境，便于设置充保护气体或喷入分 散气氛的装置，从而对新生超细粉体表面进行惰性气体保护或分散剂的表面包覆，不仅 提高了粉体物料的分散性，而且还有效的防止粉体因氧化产生燃烧和爆炸【1 1 。 可 影 一昏li - 目麓缈 弱者艟l 一向叫i 叫删自lf i x l 忤一一铲一一卜一 - - - - - i - - - - - - - 一 落凶肾i 一叫 掣一l 意慕暴蒯匕剑 ，目南，i ln 翔h。l篮g 1 、1 0 链轮2 、3 轴承4 筛板5 衬板6 搅拌棒7 简体8 盖板9 密封组件1 0 密封套 图2 1 卧式双向旋转球磨机二维平面图 2 2 结构对研磨粉碎的影响 2 2 1 筒体的分析 球磨机筒体承载着球磨介质和物料，研磨粉碎主要产生于筒体内部区域。在研磨粉 碎过程中，简体受到动态研磨体( 包括物料) 产生的力、简体自身的重力和旋转产生的 离心力，因而简体在旋转过程中会变形( 如图2 2 所示) ，所以筒体并不是以轴心线为转 o 2 双向旋转球磨机的结构分析 硕士论文 轴的旋转运动，类似于偏心轮的运动形式。因此合理设计简体的结构、保证简体有足够 强度是筒体设计中最重要的环节。 图2 2 简体在旋转中某时刻受力产生的变形 图2 3 筒体的截面形状i z 州 筒体截面形状大致可分为圆形、正方形、六边形、八边形等几种如图2 3 所示。从 简体的受力变形图中可知简体中间部位所受的力最大，从中间到两边呈现递减趋势。考 虑到圆筒形受力均匀，不会出现某一部分受力集中或磨损严重而产生损坏，同时介质和 物料的混合体在简体内能有效的运动，我们把双向旋转球磨机筒体形状设计为圆筒形。 2 2 2 搅拌器的分析 搅拌器是搅拌磨中最重要的部件，旋转的搅拌器将能量有效地传递给研磨介质，从 而对物料颗粒进行粉碎，设计合理的搅拌器形状能够对研磨腔内介质和矿浆进行充分的 搅拌，且能够减少研磨过程散发的热量，增加能量利用率。 根据搅拌器叶轮形状可分为以下几种：浆式搅拌器、