基于离散元素法立式螺旋搅拌磨机介质动力学及空间作用机制研究

The complicate interaction among grinding medium or between the media and spatial structure of mills is what causes the comminution of grinding particles and the key to elaborate grinding mechanism. As the spatial structure of pilot vertical spiral stirred mills change intensely, the common test methods of studying grinding dynamics fail to work. The anticipation of media motion or any possible dead zone within vertical stirred mills is beyond reach. To deal with this serious problem, the project try to reveal microscopic characteristics by combining laboratory tests with DEM simulations; Furthermore, on the basis of physical parameters of grinding media, the project try to optimize strategies of grinding dynamic model construction in DEM simulations , introduce dynamic measurement mechanism to rectify relative parameters, establish reliable and effective model to study media motion kinetics and eventually reveal critical factors affecting stress intensity within vertical stirred mills. Last but not least, the project also try to study the mechanism behind how variations of spatial structure affect media motion, ascertain optimized matching strategy of spatial structure of vertical stirred mills as a whole and finally generate some deep insights into fundamentals of grinding in order to serve the design and optimization of pilot vertical stirred mills.

介质与介质或空间结构之间的复杂作用是物料粉碎的动力所在，是阐释磨矿机理的关键所在，大型立式螺旋搅拌磨机空间结构急剧变化，传统试验动力学方法适用性差，无法预测大型立式螺旋搅拌磨机全域介质运动状态及可能出现的“磨矿死区”。针对这一突出问题，项目采用实验动力学与离散元（DEM）计算动力学相互结合的方法, 揭示介质动力学的微观特征；基于物性参数测定结果，研究立式螺旋搅拌磨机DEM计算机动力学建模策略，引入实验动力学测量机制对模型进行校验修正，建立可靠有效的介质计算动力学研究模型，揭示影响立式螺旋搅拌磨机应力强度的关键因子；研究空间结构变化对介质运动状态的作用机制，构建大型立式螺旋搅拌磨机空间结构与介质动力学特征关系模型，确定空间结构的最佳匹配策略，为大型立式螺旋搅拌磨机设计及优化提供理论指导。

国内在立式螺旋搅拌磨机研究领域起步较晚，以传统实验作为主要技术手段，缺乏足够理论和技术支撑，大部分研究停留于宏观层面，无法揭示磨矿机理本质，也无法给设备研制及放大提供足够的数据支持。基于此项目组申请了该项目并进行了相关研究，进行了立式螺旋搅拌磨机介质动力学建模方法研究，确定了基于Hertz-Mindlin模型进行仿真；设计搭建了物性参数测量平台，综合利用实验室实验与虚拟标定的方式测定了有机玻璃球与有机玻璃球之间的弹性恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.85,0.28，0.025；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分别为0.60，0.22，0.015。设计搭建了10L立磨机实验平台，进行与仿真同等条件下的干磨验证实验，以搅拌轴功率及筒壁区域介质运动状态作为判别依据，搅拌轴扭矩计算值与实验值平均误差7.6%；以KLM-75型工业设备实际湿磨时主轴功率进行验证，平均误差7.02%,经验证确立的计算机建模方法准确可靠，无需修正。进行了五因素四水平探索实验，探明了以吨能耗E作为考核指标，影响因素主次顺序为：环形间隙-线速度-介质直径-充填率-螺径比；以磨矿时间t作为考核指标，影响因素主次顺序为:环形间隙-介质直径-充填率-螺径比-线速度。通过介质运动学参数仿真进行了内在因子作用机制研究，综合运动介质动力学仿真和实验室实验相结合的方法，探明了影响磨矿功耗的关键因素是切向力和法向力等力学参数；影响磨矿时间的关键参数是是转动动能和动能等能量参数。项目形成的计算机仿真建模方法，计算误差小，结果参考性强，揭示了影响磨矿作用的内在因子，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。