基于数值仿真的大型塔式磨机工作特性分析

摘要

论文摘要

针对大型塔式磨机驱动功率、螺旋主轴应力和出料粒度分布预测问题，论文建立CFD-DEM耦合模型，分析介质运动、力链、碰撞谱和驱动功率，并将载荷输入有限元模型计算螺旋搅拌器应力与变形；同时建立磨矿过程数学模型，分析工艺参数对出料粒度的影响。不同装球量功率实测和磨矿试验分别用于验证耦合仿真与粒度模型。

机械设计
塔式磨机
工作特性
流固耦合
数值仿真

结构与机理

大型塔式磨机通过螺旋搅拌器驱动介质循环并完成剪切研磨

Fig.1展示立式筒体、螺旋搅拌器和研磨介质的结构关系。介质由螺旋提升后经搅拌器与筒体间隙返回磨矿室底部。

矿浆、介质、物料和搅拌器构成颗粒多相流与刚体结构耦合系统。

Fig. 1 塔式磨机结构与磨矿机理 — 论文原图 · Fig. 1 **塔式磨机结构与磨矿机理**

大型塔式磨机结构与磨矿机理示意图。

Structure and mechanism of vertical stirring mill.
查看高清原图 ↗

耦合模型

CFD-DEM计算介质运动、碰撞和驱动功率

工业尺度模型设置钢球满载127 t、约60%填充率、65%矿浆浓度、18.9 r/min搅拌器转速、30 mm介质尺寸和6 s仿真时间。

为验证不同负载下的功率响应，论文还计算115和120 t装球量工况。

功率验证

不同装球量下仿真功率与实测拟合曲线的相关系数大于0.9

Fig.2比较美卓VTM1500同规格机型的实测功率拟合曲线与本文耦合仿真结果。

115、120和127 t工况的仿真功率接近实测数据拟合曲线，论文报告相关系数大于0.9。

Fig. 2 仿真与实测驱动功率对比 — 论文原图 · Fig. 2 **仿真与实测驱动功率对比**

不同填充量条件下仿真与实测驱动功率对比。

Driving power comparison under different filling rate.
查看高清原图 ↗

介质运动

切向速度梯度和法向循环共同形成磨矿介质运动

Fig.3给出研磨介质的切向和法向速度分布。切向速度梯度明显，法向速度梯度相对较小。

介质以相对稳定的提升速度参与磨矿，再以较高速度通过螺旋搅拌器与筒体间隙回到底部。

Fig. 3 研磨介质切向与法向速度分布 — 论文原图 · Fig. 3 **研磨介质切向与法向速度分布**

研磨介质切向与法向速度分布。

Velocity distribution in different directions.
查看高清原图 ↗

能量与结构

碰撞能量谱和有限元响应连接内部作用与螺旋磨损位置

Fig.4中的最大碰撞能量达到约1000 J，切向碰撞占总碰撞能量的主要部分。

耦合载荷输入螺旋搅拌器有限元模型后，Fig.5中的大变形区域与实际磨损较严重区域位置相符。

Fig. 5 螺旋搅拌器变形与磨损对比 — 论文原图 · Fig. 5 **螺旋搅拌器变形与磨损对比**

螺旋搅拌器变形与磨损对比。

Deformation and wear of screw with liners.
查看高清原图 ↗

粒度模型

质量平衡、破碎函数和选择函数用于预测微米级出料粒度

受仿真规模和计算效率限制，微米级矿石粒径变化没有直接由DEM逐粒模拟。论文依据质量平衡建立磨矿机理模型。

破碎函数描述不同粒级间的物料转移，选择函数描述单位时间内破碎事件发生速率。

磨矿试验

FTM-8试验磨机的6组工况用于拟合模型参数

试验磨机输出功率为5.5 kW，满载研磨介质58 kg，钢球尺寸为10和12 mm，驱动转速为110、115和120 r/min。

6组工艺参数组合均进行重复试验，产品经压力过滤、干燥和7级泰勒筛分，所得粒度数据用于拟合破碎函数和选择函数参数。

粒度验证

参数A计算值与试验拟合值的相关系数为0.9627

参数A与介质尺寸、搅拌器尖端速度和比功耗相关。式（4）计算值与6组试验拟合值接近，相关系数为0.9627。

Fig.10比较试验组5和6的预测与实际出料粒度分布。模型曲线与试验曲线具有相近的累计分布趋势。

Fig. 10 出料粒度计算结果对比 — 论文原图 · Fig. 10 **出料粒度计算结果对比**

出料粒度计算结果对比。

PSD results comparison of grinding model and tests.
查看高清原图 ↗

工艺参数

介质尺寸、螺旋尖端速度和填充量共同影响出料粒度

相同给料条件下，较小介质尺寸对应更高破碎概率，较高尖端速度增加速度梯度，较大填充量通过提高比功耗增加颗粒达到临界破碎能量的可能性。

粒度模型参数依赖矿石性质、磨机类型和工艺条件；更换材料或设备条件时需要重新确定相应参数。

第二层阅读

需要更快地把握方法链和核心机制？

AI简报不会替代上方的论文原文导读；它只在您主动打开时加载。

引用

引用本文

以下格式根据论文正式题录生成；使用前请按目标期刊或机构规范复核。

GB/T 7714

姚宗伟, 高旭东, 刘刚, 等. 基于数值仿真的大型塔式磨机工作特性分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(5): 1642-1650. DOI:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20210466.

APA

Yao, Z., Gao, X., Liu, G., & Bi, Q. (2021). Research on working performance of vertical screw stirring mill based on numerical simulations. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 51(5), 1642–1650. https://doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb20210466

IEEE

Z. Yao, X. Gao, G. Liu, and Q. Bi, “Research on working performance of vertical screw stirring mill based on numerical simulations,” Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), vol. 51, no. 5, pp. 1642–1650, 2021, doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20210466.