楊建橋，黃德鏞

（昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093）

礦用充填料攪拌機(jī)研究進(jìn)展

楊建橋，黃德鏞

（昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093）

介紹了礦山所使用充填攪拌機(jī)的特性和開(kāi)發(fā)新型充填攪拌機(jī)的必要性，總結(jié)了近期國(guó)內(nèi)外對(duì)礦用充填攪拌機(jī)研究開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀，并對(duì)新型礦用充填攪拌設(shè)備研制發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

礦山；充填攪拌機(jī)；研究現(xiàn)狀；展望

1 引言

礦產(chǎn)資源的合理開(kāi)發(fā)利用是影響人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，我國(guó)作為世界的人口大國(guó)，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(guó)礦產(chǎn)資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備已經(jīng)低于或接近國(guó)家經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全的底線，加之地殼淺部礦產(chǎn)資源過(guò)渡開(kāi)發(fā)，對(duì)深部礦產(chǎn)資源的開(kāi)采勢(shì)在必行。深部開(kāi)采最大問(wèn)題是要控制好地壓，防止和減少巖爆和巖層冒落等災(zāi)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(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，采用合適的充填料及時(shí)回填采空區(qū)，快速有效地控制巖體變形，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的防范災(zāi)害性深井地壓事故、實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采的重要措施[1]。在空?qǐng)霾傻V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(jī)作為充填料制備設(shè)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(jìn)入攪拌機(jī)混合，攪拌應(yīng)達(dá)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(jī)都采用以軸向流為主的攪拌槳、高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸配以高功率的電動(dòng)機(jī)組裝而成。這樣的攪拌機(jī)雖然能夠達(dá)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(dòng)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(yán)重干擾了企業(yè)的正常生產(chǎn)，影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，開(kāi)發(fā)滿足生產(chǎn)需求的高效攪拌機(jī)是目前許多礦山企業(yè)迫切的需求，而對(duì)新型攪拌機(jī)的開(kāi)發(fā)和研制也會(huì)取得很好的經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)、帶動(dòng)攪拌的電機(jī)等基本參數(shù)相關(guān)。攪拌的目的是最大程度使混合物充分?jǐn)U散，使兩種物質(zhì)可以混合，并避免產(chǎn)生物質(zhì)的團(tuán)聚。目前從宏觀角度考慮，攪拌機(jī)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(dǎo)的不同導(dǎo)致了混合效果的側(cè)重不同[4]。

從微觀角度考慮，攪拌機(jī)的混合主要依靠的是攪拌槳運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)混合物產(chǎn)生的物理力學(xué)作用，如拉伸力和剪切力。

從流體力學(xué)角度考慮，不同濃度的充填料漿濃度其力學(xué)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(dòng)時(shí)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(yīng)力公式表明：在平行的層狀流動(dòng)條件下，流體切應(yīng)力與速度梯度之間成正比關(guān)系，即τ=μ(du/dy)，這類流體被稱為牛頓流體。但是，工程實(shí)際中還有許多重要流體并不滿足牛頓切應(yīng)力公式所描述的規(guī)律。雖然這些流體的切應(yīng)力τ通常總可表示成速度梯度du/dy的單值函數(shù):τ=f(du/dy)，但du與dy的函數(shù)關(guān)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(diǎn)就是其黏度與流體自身的運(yùn)動(dòng)(或變形)相關(guān)，不再是物性參數(shù)；非牛頓流體種類的不同，其切應(yīng)力與速度梯度之間表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性行為[6]。

對(duì)于固液混合物體，要達(dá)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(kuò)散，達(dá)到均勻混合，從而也提高混合效率。

對(duì)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(dǎo)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(duì)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(jī)都采用以軸向流為主的攪拌槳、高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸配以高功率的電動(dòng)機(jī)組裝而成。這樣的攪拌機(jī)雖然能夠達(dá)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(dòng)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(dǎo)，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(yùn)動(dòng)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(dá)到提高混合效率的目的。

3 國(guó)內(nèi)外新型攪拌機(jī)的研制現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外許多公司和研究機(jī)構(gòu)，都致力于新型高效節(jié)能型礦用攪拌機(jī)的研究開(kāi)發(fā)。目前國(guó)外礦山通常采用臥式圓盤攪拌機(jī)，攪拌器呈多腳形鏟狀分布。在國(guó)外比較有名的是德國(guó)KABAG公司制造的PGM型臥式圓盤攪拌機(jī)的攪拌器呈星形狀運(yùn)動(dòng)，可分一個(gè)星形與兩個(gè)星形攪拌器。攪拌器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在盤內(nèi)公轉(zhuǎn)，同時(shí)還自轉(zhuǎn)，形成全方位攪拌。根據(jù)PGM型臥式圓盤攪拌機(jī)具體型號(hào)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(jī)攪拌鏟呈圓周狀分布，這些精心設(shè)計(jì)的攪拌機(jī)對(duì)特定的工藝要求，達(dá)到了最佳的攪拌效果和節(jié)能效果[7]。

國(guó)內(nèi)攪拌機(jī)的開(kāi)發(fā)起步較晚，約始于20世紀(jì)70年代后期，高濃度攪拌設(shè)備主要使用的是立式高濃度強(qiáng)力攪拌槽，攪拌濃度75%～80%，該設(shè)備容積約5.5m3，葉輪直徑650mm，主軸下部安裝一個(gè)上左旋葉輪，下部安裝一個(gè)下右旋葉輪，生產(chǎn)能力60～80m3/h。對(duì)于濃度要求較高的膏體制備攪拌機(jī)，主要是北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院為金川公司、江西銅業(yè)公司、針對(duì)散?；驂K狀固體物料與少量水泥混合而進(jìn)行開(kāi)發(fā)研制的ATD系列攪拌機(jī)[7]。該系列攪拌機(jī)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(jìn)展主要集中在兩個(gè)方面:

(1) 對(duì)入料方式的改進(jìn)。如對(duì)傳統(tǒng)的攪拌槽，膠結(jié)物如水泥及物料尾砂如何進(jìn)入攪拌槽內(nèi)的方式進(jìn)行改進(jìn)，或利用科技工作者工作經(jīng)驗(yàn)積累和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行開(kāi)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。或使混合物在入槽之前在管道輸送的過(guò)程中進(jìn)行不均勻地混合運(yùn)動(dòng)，避免攪拌槽由于功率不足、或是槽內(nèi)力學(xué)性能設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生分層。

(2) 對(duì)攪拌槽流場(chǎng)和性能的研究。通過(guò)從國(guó)外引進(jìn)或自編的軟件，對(duì)攪拌槽流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究攪拌槽的流場(chǎng)特點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)特性，為新型攪拌槽的設(shè)計(jì)和工業(yè)放大提供了有力的參考。目前主要集中在對(duì)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(duì)攪拌效果影響較大，對(duì)尾砂攪拌不均勻，會(huì)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(jī)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(qiáng)的剪切作用，易形成湍流擴(kuò)散，有利于混合，但它同時(shí)也容易把反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)分成以攪拌器為界的上下兩個(gè)循環(huán)區(qū)，通常情況下，區(qū)間混合時(shí)間是區(qū)內(nèi)混合時(shí)間的10倍以上，結(jié)果使整個(gè)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(dòng)，循環(huán)能力強(qiáng)，但剪切能力相對(duì)較弱，局部混合效果較差。

因此，為發(fā)揮兩種槳型的優(yōu)勢(shì)，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(duì)其攪拌作用進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，形成高效節(jié)能的攪拌機(jī)。這些槳各具特色，不同攪拌槳用一個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，攪拌方向相反，攪拌速度一致，但槳葉切線速度不同。

國(guó)內(nèi)有關(guān)組合槳的開(kāi)發(fā)，以北京礦冶研究總院和長(zhǎng)沙有色治金設(shè)計(jì)研究院的研究工作較為突出。他們已經(jīng)研制和實(shí)驗(yàn)出了單軸異槳組合攪拌機(jī)、單軸異向槳組合攪拌機(jī)、攪拌主軸橫置并可對(duì)充填料漿體實(shí)施強(qiáng)力擊打的直葉式攪拌槳等攪拌機(jī)。通過(guò)對(duì)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(shì)[9]。但是，這些組合槳只是對(duì)各個(gè)單一槳進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合，沒(méi)有考慮如何采取適宜的手段對(duì)它們結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行有機(jī)地融合，以最好地發(fā)揮它們的組合性能，這正是國(guó)內(nèi)攪拌器所要努力的方向。

4 新型攪拌機(jī)研制展望

(1) 新型攪拌槳的設(shè)計(jì)。

攪拌槳是攪拌釜內(nèi)主要設(shè)備，決定了攪拌釜內(nèi)流體的整體流動(dòng)形式，以前攪拌槳的主要開(kāi)發(fā)途徑為：仿船用螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)法、仿制國(guó)外新型槳、在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)攪拌進(jìn)行不斷改進(jìn)并最終定型。在攪拌槳的研發(fā)過(guò)程中，可運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD軟件和ANSYS軟件幫助和指導(dǎo)設(shè)計(jì)是發(fā)展的趨勢(shì)。CFD可以幫助預(yù)測(cè)各種攪拌槳型的流場(chǎng)分布、計(jì)算攪拌功耗、混合速率及混合效率等，減少槳研制過(guò)程中不必要的實(shí)驗(yàn)。ANSYS軟件可對(duì)槳葉、攪拌軸進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。顯然計(jì)算機(jī)輔助軟件的運(yùn)用，可以改進(jìn)和優(yōu)化攪拌槳的設(shè)計(jì)，大大提高設(shè)計(jì)精度、縮短研發(fā)周期、節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)[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(jī)，其混合物質(zhì)主要特性為高濃度、易沉槽并具有一定粘結(jié)性的固液混合物。以前往往只是注重于對(duì)攪拌器功效性能的研究，如通過(guò)測(cè)定混合時(shí)間、混合物濃度、混合的均勻度、攪拌功率、每小時(shí)出料量等參量來(lái)衡量攪拌機(jī)的優(yōu)劣[11]。單一地從宏觀角度提高攪拌機(jī)性能，已無(wú)法獲得更大的提升攪拌功效性能的空間，而對(duì)攪拌最終效果的提升，并不能以提高某項(xiàng)性能為條件，如更換電機(jī)、更換槳型、改變攪拌槽尺寸等。近年來(lái)研究者發(fā)現(xiàn)應(yīng)該考慮攪拌釜內(nèi)的流態(tài)性能，以混合物到達(dá)均勻混合效果時(shí)的力學(xué)和流場(chǎng)特性對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。攪拌機(jī)、混合物均勻混合的關(guān)鍵是要弄清對(duì)某種混合物需要什么樣的流場(chǎng)，從而使用什么型式槳型才能以最少的能耗來(lái)獲得所需的流場(chǎng)。近年來(lái)，以激光為手段的測(cè)量?jī)x器的發(fā)展以利用到流場(chǎng)特性研究領(lǐng)域。激光測(cè)速技術(shù)具有高精度、高方向敏感性等特點(diǎn)，在流動(dòng)測(cè)量監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，成為研究攪拌流場(chǎng)的強(qiáng)有力工具。它包括激光多普勒測(cè)速儀LDV和粒子成像測(cè)速儀，LDV和PIV作為一種有效的流場(chǎng)測(cè)量手段，為研究者提供了豐富的湍流參數(shù)和生動(dòng)的流場(chǎng)模型[12]。

(3) 攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單化向組合化方向發(fā)展。

隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)工業(yè)的發(fā)展，使得攪拌機(jī)有了進(jìn)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(qiáng)流場(chǎng)特性，達(dá)到高效的均勻混合。如采用旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(qiáng)的循環(huán)能力。在攪拌槽側(cè)壁內(nèi)安裝擋板，可增強(qiáng)剪切效果，但擋板安設(shè)位置、安設(shè)角度、擋板大小等參數(shù)還需在工業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)等到充分論證，這些過(guò)程的攪拌都可以看作是攪拌槳攪拌效果的完善或補(bǔ)充。針對(duì)不同的工況國(guó)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(duì)現(xiàn)有槳型進(jìn)行組合和疊加，而對(duì)組合槳的整體結(jié)構(gòu)和整個(gè)攪拌槽內(nèi)組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)道卻較少，這也是國(guó)內(nèi)外對(duì)攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)的改進(jìn)所需研究的一個(gè)方向。

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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