礦用充填料攪拌機研究進展

楊建橋，黃德鏞

（昆明理工大學，云南 昆明 650093）

礦用充填料攪拌機研究進展

楊建橋，黃德鏞

（昆明理工大學，云南 昆明 650093）

介紹了礦山所使用充填攪拌機的特性和開發(fā)新型充填攪拌機的必要性，總結了近期國內(nèi)外對礦用充填攪拌機研究開發(fā)的現(xiàn)狀，并對新型礦用充填攪拌設備研制發(fā)展趨勢作了展望。

礦山；充填攪拌機；研究現(xiàn)狀；展望

1 引言

礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用是影響人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素，我國作為世界的人口大國，人均陸地礦產(chǎn)資源量低于世界平均水平，居世界第80位。

我國礦產(chǎn)資源的戰(zhàn)略儲備已經(jīng)低于或接近國家經(jīng)濟和國防安全的底線，加之地殼淺部礦產(chǎn)資源過渡開發(fā)，對深部礦產(chǎn)資源的開采勢在必行。深部開采最大問題是要控制好地壓，防止和減少巖爆和巖層冒落等災害性事故的發(fā)生。巖層控制特別是采空區(qū)的處理將成為深井開采的關鍵技術，采用合適的充填料及時回填采空區(qū)，快速有效地控制巖體變形，是國內(nèi)外公認的防范災害性深井地壓事故、實現(xiàn)安全開采的重要措施[1]。在空場采礦法嗣后充填和充填采礦法的充填工藝中均需礦用充填料攪拌機作為充填料制備設備。

根據(jù)礦山所需充填空區(qū)的具體情況選擇充填材料、充填料漿濃度及充填料漿配合比等重要參數(shù)后即可加入充填料進入攪拌機混合，攪拌應達到均勻不分層、效率高的效果。而礦山充填料漿由于充填材料的特殊屬性，所涉及的高濃度、高粘度、高密度的固液混合物體考慮到攪拌槽底部容易發(fā)生分層，甚至是沉槽的發(fā)生，一般使用的攪拌機都采用以軸向流為主的攪拌槳、高強度的轉(zhuǎn)動軸配以高功率的電動機組裝而成。這樣的攪拌機雖然能夠達到攪拌效果，并盡可能的減少沉槽的發(fā)生，但是不可避免的是在攪拌的液面上部產(chǎn)生了較大的沿軸向轉(zhuǎn)動的漩渦而增大了功耗，降低了生產(chǎn)效率，并可能打斷充填工藝的連續(xù)性，這嚴重干擾了企業(yè)的正常生產(chǎn)，影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此，開發(fā)滿足生產(chǎn)需求的高效攪拌機是目前許多礦山企業(yè)迫切的需求，而對新型攪拌機的開發(fā)和研制也會取得很好的經(jīng)濟效益[2-3]。

2 基本原理

固體與液體在攪拌槽內(nèi)的混合，其混合效果與攪拌槳的類型、攪拌釜的尺寸設計、帶動攪拌的電機等基本參數(shù)相關。攪拌的目的是最大程度使混合物充分擴散，使兩種物質(zhì)可以混合，并避免產(chǎn)生物質(zhì)的團聚。目前從宏觀角度考慮，攪拌機采用的混合狀態(tài)的流況主要有徑向流和軸向流，在非理想的混合狀態(tài)下，兩種流況都存在，只是何種流況占主導的不同導致了混合效果的側重不同[4]。

從微觀角度考慮，攪拌機的混合主要依靠的是攪拌槳運動時對混合物產(chǎn)生的物理力學作用，如拉伸力和剪切力。

從流體力學角度考慮，不同濃度的充填料漿濃度其力學狀態(tài)也各異，濃度75%以上的呈現(xiàn)膏體狀態(tài)的充填料已表現(xiàn)出部分固體特征，濃度75%以下的充填料漿仍具有明顯的流體特征。凡是流體在流動時都可以表現(xiàn)出粘度，只是由于流體本身的物理特性，或懸浮于流體中顆粒的性質(zhì)不同使粘度各異而已[5]。牛頓切應力公式表明：在平行的層狀流動條件下，流體切應力與速度梯度之間成正比關系，即τ=μ(du/dy)，這類流體被稱為牛頓流體。但是，工程實際中還有許多重要流體并不滿足牛頓切應力公式所描述的規(guī)律。雖然這些流體的切應力τ通?？偪杀硎境伤俣忍荻萪u/dy的單值函數(shù):τ=f(du/dy)，但du與dy的函數(shù)關系卻是非線性的，這類流體統(tǒng)稱為非牛頓流體。

礦山充填料漿屬于非牛頓流體，其最大的特點就是其黏度與流體自身的運動(或變形)相關，不再是物性參數(shù)；非牛頓流體種類的不同，其切應力與速度梯度之間表現(xiàn)出復雜的非線性行為[6]。

對于固液混合物體，要達到較好的混合效果，主要需要的是攪拌槳產(chǎn)生的拉伸力和剪切力，這樣可以使混合物發(fā)生縈亂，產(chǎn)生湍流，使分子擴散，達到均勻混合，從而也提高混合效率。

對于高濃度、高粘度、高密度的固液混合物體，由于徑向流和軸向流使用的槳型不同，導致攪拌槳在攪拌槽內(nèi)產(chǎn)生的宏觀混合流型不同(如下圖所示)。

對于本文所涉及的高濃度、高粘度、高密度的固液混合物體考慮到攪拌槽底部容易發(fā)生沉槽，一般使用的攪拌機都采用以軸向流為主的攪拌槳、高強度的轉(zhuǎn)動軸配以高功率的電動機組裝而成。這樣的攪拌機雖然能夠達到攪拌效果，并盡可能的減少沉槽的發(fā)生，但是不可避免的是在攪拌的液面上部產(chǎn)生了較大的沿軸向轉(zhuǎn)動的漩渦而增大了功耗。

基于以上情況，可考慮在槽壁內(nèi)某一位置安放擋板，或是采用組合攪拌槳，使其在與軸向流為主導，在不可避免產(chǎn)生徑向流的狀態(tài)下，讓大部分在水平面上沿軸向運動的徑向流，產(chǎn)生剪切力，發(fā)生湍流現(xiàn)象，使混合物能夠更充分的混合，以達到提高混合效率的目的。

3 國內(nèi)外新型攪拌機的研制現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外許多公司和研究機構，都致力于新型高效節(jié)能型礦用攪拌機的研究開發(fā)。目前國外礦山通常采用臥式圓盤攪拌機，攪拌器呈多腳形鏟狀分布。在國外比較有名的是德國KABAG公司制造的PGM型臥式圓盤攪拌機的攪拌器呈星形狀運動，可分一個星形與兩個星形攪拌器。攪拌器由電機驅(qū)動在盤內(nèi)公轉(zhuǎn)，同時還自轉(zhuǎn)，形成全方位攪拌。根據(jù)PGM型臥式圓盤攪拌機具體型號的不同，生產(chǎn)能力在15～120m3/h之間。Teka公司生產(chǎn)的間斷攪拌機攪拌鏟呈圓周狀分布，這些精心設計的攪拌機對特定的工藝要求，達到了最佳的攪拌效果和節(jié)能效果[7]。

國內(nèi)攪拌機的開發(fā)起步較晚，約始于20世紀70年代后期，高濃度攪拌設備主要使用的是立式高濃度強力攪拌槽，攪拌濃度75%～80%，該設備容積約5.5m3，葉輪直徑650mm，主軸下部安裝一個上左旋葉輪，下部安裝一個下右旋葉輪，生產(chǎn)能力60～80m3/h。對于濃度要求較高的膏體制備攪拌機，主要是北京有色冶金設計研究總院為金川公司、江西銅業(yè)公司、針對散粒或塊狀固體物料與少量水泥混合而進行開發(fā)研制的ATD系列攪拌機[7]。該系列攪拌機主要為臥式，槽體中水平布置兩組并列的軸，攪拌槳槳型主要有：雙軸葉片式、雙軸螺旋式或一段攪拌雙軸葉片式、二段攪拌雙軸螺旋式三種。

現(xiàn)階段研制進展主要集中在兩個方面:

(1) 對入料方式的改進。如對傳統(tǒng)的攪拌槽，膠結物如水泥及物料尾砂如何進入攪拌槽內(nèi)的方式進行改進，或利用科技工作者工作經(jīng)驗積累和實驗測試數(shù)據(jù)進行開發(fā)，出現(xiàn)了攪拌槽尾砂由槽上部邊緣入料，水泥由槽中心主軸附近位置處入料?；蚴够旌衔镌谌氩壑霸诠艿垒斔偷倪^程中進行不均勻地混合運動，避免攪拌槽由于功率不足、或是槽內(nèi)力學性能設計缺陷產(chǎn)生分層。

(2) 對攪拌槽流場和性能的研究。通過從國外引進或自編的軟件，對攪拌槽流場進行模擬，研究攪拌槽的流場特點和動力學特性，為新型攪拌槽的設計和工業(yè)放大提供了有力的參考。目前主要集中在對新型攪拌漿和攪拌方式的研究。

攪拌槽內(nèi)的混合物粒徑大小不一，粒徑較大的尾砂對攪拌效果影響較大，對尾砂攪拌不均勻，會產(chǎn)生沉槽或分層。槽內(nèi)流態(tài)主要分為軸向流和徑向流，固液混合物流態(tài)以軸向流為主，槽底部較大的顆粒才可被提升力提起，在懸浮狀態(tài)下循環(huán)混合。

固液混合物流態(tài)主要由攪拌槳槳型決定，以軸向流為主的槳型是礦山充填攪拌機主要使用的攪拌槳。徑向流攪拌槳雖然在槳葉端能夠產(chǎn)生很強的剪切作用，易形成湍流擴散，有利于混合，但它同時也容易把反應釜內(nèi)介質(zhì)分成以攪拌器為界的上下兩個循環(huán)區(qū)，通常情況下，區(qū)間混合時間是區(qū)內(nèi)混合時間的10倍以上，結果使整個釜內(nèi)的循環(huán)混合變得更加困難。而軸向流攪拌槳可使流體產(chǎn)生軸向流動，循環(huán)能力強，但剪切能力相對較弱，局部混合效果較差。

因此，為發(fā)揮兩種槳型的優(yōu)勢，避免單一槳型的不足，出現(xiàn)了組合槳[8]。主要思路是將兩種或者三種產(chǎn)生不同流態(tài)的攪拌槳組合在主軸上，對其攪拌作用進行有機地結合，形成高效節(jié)能的攪拌機。這些槳各具特色，不同攪拌槳用一個電機同步驅(qū)動，攪拌方向相反，攪拌速度一致，但槳葉切線速度不同。

國內(nèi)有關組合槳的開發(fā)，以北京礦冶研究總院和長沙有色治金設計研究院的研究工作較為突出。他們已經(jīng)研制和實驗出了單軸異槳組合攪拌機、單軸異向槳組合攪拌機、攪拌主軸橫置并可對充填料漿體實施強力擊打的直葉式攪拌槳等攪拌機。通過對這些組合槳的研究，發(fā)現(xiàn)組合槳比單一類型的槳具有一定的優(yōu)勢[9]。但是，這些組合槳只是對各個單一槳進行簡單的組合，沒有考慮如何采取適宜的手段對它們結構和尺寸進行有機地融合，以最好地發(fā)揮它們的組合性能，這正是國內(nèi)攪拌器所要努力的方向。

4 新型攪拌機研制展望

(1) 新型攪拌槳的設計。

攪拌槳是攪拌釜內(nèi)主要設備，決定了攪拌釜內(nèi)流體的整體流動形式，以前攪拌槳的主要開發(fā)途徑為：仿船用螺旋槳圖譜設計法、仿制國外新型槳、在實驗條件下對攪拌進行不斷改進并最終定型。在攪拌槳的研發(fā)過程中，可運用計算流體動力學CFD軟件和ANSYS軟件幫助和指導設計是發(fā)展的趨勢。CFD可以幫助預測各種攪拌槳型的流場分布、計算攪拌功耗、混合速率及混合效率等，減少槳研制過程中不必要的實驗。ANSYS軟件可對槳葉、攪拌軸進行強度和剛度校核。顯然計算機輔助軟件的運用，可以改進和優(yōu)化攪拌槳的設計，大大提高設計精度、縮短研發(fā)周期、節(jié)省實驗經(jīng)費[10]。

(2) 攪拌釜內(nèi)的流態(tài)性能研究。

由于礦用充填料攪拌機，其混合物質(zhì)主要特性為高濃度、易沉槽并具有一定粘結性的固液混合物。以前往往只是注重于對攪拌器功效性能的研究，如通過測定混合時間、混合物濃度、混合的均勻度、攪拌功率、每小時出料量等參量來衡量攪拌機的優(yōu)劣[11]。單一地從宏觀角度提高攪拌機性能，已無法獲得更大的提升攪拌功效性能的空間，而對攪拌最終效果的提升，并不能以提高某項性能為條件，如更換電機、更換槳型、改變攪拌槽尺寸等。近年來研究者發(fā)現(xiàn)應該考慮攪拌釜內(nèi)的流態(tài)性能，以混合物到達均勻混合效果時的力學和流場特性對攪拌機進行相應的改進。攪拌機、混合物均勻混合的關鍵是要弄清對某種混合物需要什么樣的流場，從而使用什么型式槳型才能以最少的能耗來獲得所需的流場。近年來，以激光為手段的測量儀器的發(fā)展以利用到流場特性研究領域。激光測速技術具有高精度、高方向敏感性等特點，在流動測量監(jiān)測中得到了廣泛應用和發(fā)展，成為研究攪拌流場的強有力工具。它包括激光多普勒測速儀LDV和粒子成像測速儀，LDV和PIV作為一種有效的流場測量手段，為研究者提供了豐富的湍流參數(shù)和生動的流場模型[12]。

(3) 攪拌機的結構由簡單化向組合化方向發(fā)展。

隨著現(xiàn)代機械設計工業(yè)的發(fā)展，使得攪拌機有了進一步的發(fā)展空間，攪拌效率得以提高。組合槳型和新型槳型的出現(xiàn)，可改變或增強流場特性，達到高效的均勻混合。如采用旋轉(zhuǎn)時，混合物出槳方向相反的組合槳，可提高剪切速率，利于混合物分散，還可產(chǎn)生較強的循環(huán)能力。在攪拌槽側壁內(nèi)安裝擋板，可增強剪切效果，但擋板安設位置、安設角度、擋板大小等參數(shù)還需在工業(yè)設計時等到充分論證，這些過程的攪拌都可以看作是攪拌槳攪拌效果的完善或補充。針對不同的工況國內(nèi)外已研制出許多不同的組合槳，但這些組合槳基本上都是對現(xiàn)有槳型進行組合和疊加，而對組合槳的整體結構和整個攪拌槽內(nèi)組件的優(yōu)化設計報道卻較少，這也是國內(nèi)外對攪拌機的結構的改進所需研究的一個方向。

[1]王新民.基于深井開采的充填材料與管輸系統(tǒng)的研究[D].長沙:中南大學,2005.

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Overview of Research on Mine-filling Mixer

YANG Jian-qiao, HUANG De-yong
(Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

Introduces the characteristics of mining-filling mixer and the essentiality of exploiting new mining-filling mixer.Summarizes the recent research of present situation of the development of mining-filling mixer at home and abroad, and prospects the new mining-filling mixing equipment research and development.

mine; mining-filling mixer; research status; prospected

TD421.29

A

1007-9386(2011)05-0061-03

2011-06-10