基于立磨机关键参数的介质运动特性及输入功率预测模型研究

Currently, the trend of increasingly more mineral resources turning low-grade, fine-grained and refractory drives the rapidly development and application of techniques related to vertical spiral stirred mills. However, the lacking in fundamentals of fine grinding, as well as standard procedures for machine selection and scale up, seriously restraint large size development and efficient application of vertical spiral stirred mills. Taking grinding media motion as a breakthrough point, this project studies mechanisms behind how critical structural parameters affect media motion, including screw pitch, screw diameter of the stirrer, annular region between stirrer tip and mill wall and so on; As a result, this project can elaborate match-up effect between parameters of spatial structural and media physical characteristics, establish media motion model on the basis of laboratory test data and realize targeted optimization of high intensity grinding; Besides, further research would be put into the study of input power model of screw stirrer, anticipation method of mill power scale up. This research findings can provide deep insights into fundamentals of fine grinding, make a breakthrough change in overreliance on experiences of large size vertical spiral stirred mills application, establish new scale up method on the basis of power model and eventually provide theoretical basis of rational selections of structural and media physical parameters within vertical spiral stirred mills.

矿产资源贫、细、杂化的趋势促使立式螺旋搅拌磨矿技术快速发展和应用，而螺旋搅拌机构细磨机理研究不足以及放大选型方法欠缺的现状，严重制约了立式螺旋搅拌磨机大型化发展和高效应用。本课题以研磨介质运动特性为切入点，研究螺旋搅拌机构关键结构参数对介质运动规律的作用机理，包括螺旋搅拌机构螺距、螺旋叶片直径、螺旋叶片外缘与筒体间的环形间隙等，阐释空间结构参数与介质特性参数匹配效应，建立基于实验室试验数据的介质运动模型，探索空间结构作用下实现磨矿作用针对性强化的优化策略；进一步研究螺旋搅拌机构输入功率模型，探明输入功率随设备放大的预测方法。本课题研究成果可提升立式螺旋搅拌机构细磨机理研究基础，突破大型立式螺旋搅拌磨机应用依赖工程经验选型设计的瓶颈，建立基于输入功率模型的放大方法，从结构参数、介质特性参数方面为大型立式螺旋搅拌磨机选型应用提供理论依据。

国内在大型立式螺旋搅拌磨机技术领域起步较晚，技术水平和应用经验与国外相比还存在较大差距，存在着细磨机理研究不足，工业型设备放大及选型设计缺乏理论支撑，工业应用以经验参考为主，精确性不足等问题，制约了设备优化及大型化。因此，项目组申请了该项目并进行了相关研究。. 项目进行了立式螺旋搅拌磨机的介质动力学计算方法及仿真模型研究：确定了采用Hertz-Mindlin模型进行离散元仿真的策略；设计搭建了物性参数测量平台，综合利用实验室试验与虚拟标定的方式测定了有机玻璃球与有机玻璃球、钢球与钢球球之间的弹性恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数并进行仿真计算；以搅拌轴功率及筒壁区域介质运动状态作为判别依据，确立的计算机建模方法满足精度要求。进行了关键参数影响机制研究，搭建试验平台，进行了10L及30L两种容积条件下多因素正交试验，探明环形间隙、螺旋边缘线速度、介质直径、介质充填率以及螺径比是影响磨矿效果的关键参数，其中环形间隙影响最大，螺径比影响最小；对比分析单因素作用机制，两种试验条件下作用规律基本一致，为设备放大提供了依据。进行介质运动特性研究及内在影响因子研究，利用确定的仿真方法，进行与10L磨机正交试验同等条件的计算机仿真，对比分析介质力学参数、运动学参数以及能量参数与磨矿能耗的内在联系，探明应力总和是影响磨矿能耗的内在因子。进行单因素影响机制研究，基于DEM进行单变量条件下的仿真研究，探明了环形间隙、螺旋边缘线速度、介质充填率、介质直径及螺径比等宏观参数对应力总和及主轴扭矩、功率的作用机制及影响规律。. 项目借助计算机仿真与实验室试验，揭示了影响磨矿作用的宏观参数与内在因子，进一步深化了细磨机理研究；探明了通过计算机仿真进行功率预测的方法，关键因素对功率的影响机制，对包括立式螺旋搅拌磨机在内的细磨设备研制及大型化具有重要的指导意义。.