矿用充填料搅拌机研究进展

杨建桥，黄德镛

（昆明理工大学，云南 昆明 650093）

矿用充填料搅拌机研究进展

杨建桥，黄德镛

（昆明理工大学，云南 昆明 650093）

介绍了矿山所使用充填搅拌机的特性和开发新型充填搅拌机的必要性，总结了近期国内外对矿用充填搅拌机研究开发的现状，并对新型矿用充填搅拌设备研制发展趋势作了展望。

矿山；充填搅拌机；研究现状；展望

1 引言

矿产资源的合理开发利用是影响人类社会可持续发展的重要因素，我国作为世界的人口大国，人均陆地矿产资源量低于世界平均水平，居世界第80位。

我国矿产资源的战略储备已经低于或接近国家经济和国防安全的底线，加之地壳浅部矿产资源过渡开发，对深部矿产资源的开采势在必行。深部开采最大问题是要控制好地压，防止和减少岩爆和岩层冒落等灾害性事故的发生。岩层控制特别是采空区的处理将成为深井开采的关键技术，采用合适的充填料及时回填采空区，快速有效地控制岩体变形，是国内外公认的防范灾害性深井地压事故、实现安全开采的重要措施[1]。在空场采矿法嗣后充填和充填采矿法的充填工艺中均需矿用充填料搅拌机作为充填料制备设备。

根据矿山所需充填空区的具体情况选择充填材料、充填料浆浓度及充填料浆配合比等重要参数后即可加入充填料进入搅拌机混合，搅拌应达到均匀不分层、效率高的效果。而矿山充填料浆由于充填材料的特殊属性，所涉及的高浓度、高粘度、高密度的固液混合物体考虑到搅拌槽底部容易发生分层，甚至是沉槽的发生，一般使用的搅拌机都采用以轴向流为主的搅拌桨、高强度的转动轴配以高功率的电动机组装而成。这样的搅拌机虽然能够达到搅拌效果，并尽可能的减少沉槽的发生，但是不可避免的是在搅拌的液面上部产生了较大的沿轴向转动的漩涡而增大了功耗，降低了生产效率，并可能打断充填工艺的连续性，这严重干扰了企业的正常生产，影响了企业的经济效益。因此，开发满足生产需求的高效搅拌机是目前许多矿山企业迫切的需求，而对新型搅拌机的开发和研制也会取得很好的经济效益[2-3]。

2 基本原理

固体与液体在搅拌槽内的混合，其混合效果与搅拌桨的类型、搅拌釜的尺寸设计、带动搅拌的电机等基本参数相关。搅拌的目的是最大程度使混合物充分扩散，使两种物质可以混合，并避免产生物质的团聚。目前从宏观角度考虑，搅拌机采用的混合状态的流况主要有径向流和轴向流，在非理想的混合状态下，两种流况都存在，只是何种流况占主导的不同导致了混合效果的侧重不同[4]。

从微观角度考虑，搅拌机的混合主要依靠的是搅拌桨运动时对混合物产生的物理力学作用，如拉伸力和剪切力。

从流体力学角度考虑，不同浓度的充填料浆浓度其力学状态也各异，浓度75%以上的呈现膏体状态的充填料已表现出部分固体特征，浓度75%以下的充填料浆仍具有明显的流体特征。凡是流体在流动时都可以表现出粘度，只是由于流体本身的物理特性，或悬浮于流体中颗粒的性质不同使粘度各异而已[5]。牛顿切应力公式表明：在平行的层状流动条件下，流体切应力与速度梯度之间成正比关系，即τ=μ(du/dy)，这类流体被称为牛顿流体。但是，工程实际中还有许多重要流体并不满足牛顿切应力公式所描述的规律。虽然这些流体的切应力τ通常总可表示成速度梯度du/dy的单值函数:τ=f(du/dy)，但du与dy的函数关系却是非线性的，这类流体统称为非牛顿流体。

矿山充填料浆属于非牛顿流体，其最大的特点就是其黏度与流体自身的运动(或变形)相关，不再是物性参数；非牛顿流体种类的不同，其切应力与速度梯度之间表现出复杂的非线性行为[6]。

对于固液混合物体，要达到较好的混合效果，主要需要的是搅拌桨产生的拉伸力和剪切力，这样可以使混合物发生萦乱，产生湍流，使分子扩散，达到均匀混合，从而也提高混合效率。

对于高浓度、高粘度、高密度的固液混合物体，由于径向流和轴向流使用的桨型不同，导致搅拌桨在搅拌槽内产生的宏观混合流型不同(如下图所示)。

对于本文所涉及的高浓度、高粘度、高密度的固液混合物体考虑到搅拌槽底部容易发生沉槽，一般使用的搅拌机都采用以轴向流为主的搅拌桨、高强度的转动轴配以高功率的电动机组装而成。这样的搅拌机虽然能够达到搅拌效果，并尽可能的减少沉槽的发生，但是不可避免的是在搅拌的液面上部产生了较大的沿轴向转动的漩涡而增大了功耗。

基于以上情况，可考虑在槽壁内某一位置安放挡板，或是采用组合搅拌桨，使其在与轴向流为主导，在不可避免产生径向流的状态下，让大部分在水平面上沿轴向运动的径向流，产生剪切力，发生湍流现象，使混合物能够更充分的混合，以达到提高混合效率的目的。

3 国内外新型搅拌机的研制现状

目前国内外许多公司和研究机构，都致力于新型高效节能型矿用搅拌机的研究开发。目前国外矿山通常采用卧式圆盘搅拌机，搅拌器呈多脚形铲状分布。在国外比较有名的是德国KABAG公司制造的PGM型卧式圆盘搅拌机的搅拌器呈星形状运动，可分一个星形与两个星形搅拌器。搅拌器由电机驱动在盘内公转，同时还自转，形成全方位搅拌。根据PGM型卧式圆盘搅拌机具体型号的不同，生产能力在15～120m3/h之间。Teka公司生产的间断搅拌机搅拌铲呈圆周状分布，这些精心设计的搅拌机对特定的工艺要求，达到了最佳的搅拌效果和节能效果[7]。

国内搅拌机的开发起步较晚，约始于20世纪70年代后期，高浓度搅拌设备主要使用的是立式高浓度强力搅拌槽，搅拌浓度75%～80%，该设备容积约5.5m3，叶轮直径650mm，主轴下部安装一个上左旋叶轮，下部安装一个下右旋叶轮，生产能力60～80m3/h。对于浓度要求较高的膏体制备搅拌机，主要是北京有色冶金设计研究总院为金川公司、江西铜业公司、针对散粒或块状固体物料与少量水泥混合而进行开发研制的ATD系列搅拌机[7]。该系列搅拌机主要为卧式，槽体中水平布置两组并列的轴，搅拌桨桨型主要有：双轴叶片式、双轴螺旋式或一段搅拌双轴叶片式、二段搅拌双轴螺旋式三种。

现阶段研制进展主要集中在两个方面:

(1) 对入料方式的改进。如对传统的搅拌槽，胶结物如水泥及物料尾砂如何进入搅拌槽内的方式进行改进，或利用科技工作者工作经验积累和实验测试数据进行开发，出现了搅拌槽尾砂由槽上部边缘入料，水泥由槽中心主轴附近位置处入料。或使混合物在入槽之前在管道输送的过程中进行不均匀地混合运动，避免搅拌槽由于功率不足、或是槽内力学性能设计缺陷产生分层。

(2) 对搅拌槽流场和性能的研究。通过从国外引进或自编的软件，对搅拌槽流场进行模拟，研究搅拌槽的流场特点和动力学特性，为新型搅拌槽的设计和工业放大提供了有力的参考。目前主要集中在对新型搅拌浆和搅拌方式的研究。

搅拌槽内的混合物粒径大小不一，粒径较大的尾砂对搅拌效果影响较大，对尾砂搅拌不均匀，会产生沉槽或分层。槽内流态主要分为轴向流和径向流，固液混合物流态以轴向流为主，槽底部较大的颗粒才可被提升力提起，在悬浮状态下循环混合。

固液混合物流态主要由搅拌桨桨型决定，以轴向流为主的桨型是矿山充填搅拌机主要使用的搅拌桨。径向流搅拌桨虽然在桨叶端能够产生很强的剪切作用，易形成湍流扩散，有利于混合，但它同时也容易把反应釜内介质分成以搅拌器为界的上下两个循环区，通常情况下，区间混合时间是区内混合时间的10倍以上，结果使整个釜内的循环混合变得更加困难。而轴向流搅拌桨可使流体产生轴向流动，循环能力强，但剪切能力相对较弱，局部混合效果较差。

因此，为发挥两种桨型的优势，避免单一桨型的不足，出现了组合桨[8]。主要思路是将两种或者三种产生不同流态的搅拌桨组合在主轴上，对其搅拌作用进行有机地结合，形成高效节能的搅拌机。这些桨各具特色，不同搅拌桨用一个电机同步驱动，搅拌方向相反，搅拌速度一致，但桨叶切线速度不同。

国内有关组合桨的开发，以北京矿冶研究总院和长沙有色治金设计研究院的研究工作较为突出。他们已经研制和实验出了单轴异桨组合搅拌机、单轴异向桨组合搅拌机、搅拌主轴横置并可对充填料浆体实施强力击打的直叶式搅拌桨等搅拌机。通过对这些组合桨的研究，发现组合桨比单一类型的桨具有一定的优势[9]。但是，这些组合桨只是对各个单一桨进行简单的组合，没有考虑如何采取适宜的手段对它们结构和尺寸进行有机地融合，以最好地发挥它们的组合性能，这正是国内搅拌器所要努力的方向。

4 新型搅拌机研制展望

(1) 新型搅拌桨的设计。

搅拌桨是搅拌釜内主要设备，决定了搅拌釜内流体的整体流动形式，以前搅拌桨的主要开发途径为：仿船用螺旋桨图谱设计法、仿制国外新型桨、在实验条件下对搅拌进行不断改进并最终定型。在搅拌桨的研发过程中，可运用计算流体动力学CFD软件和ANSYS软件帮助和指导设计是发展的趋势。CFD可以帮助预测各种搅拌桨型的流场分布、计算搅拌功耗、混合速率及混合效率等，减少桨研制过程中不必要的实验。ANSYS软件可对桨叶、搅拌轴进行强度和刚度校核。显然计算机辅助软件的运用，可以改进和优化搅拌桨的设计，大大提高设计精度、缩短研发周期、节省实验经费[10]。

(2) 搅拌釜内的流态性能研究。

由于矿用充填料搅拌机，其混合物质主要特性为高浓度、易沉槽并具有一定粘结性的固液混合物。以前往往只是注重于对搅拌器功效性能的研究，如通过测定混合时间、混合物浓度、混合的均匀度、搅拌功率、每小时出料量等参量来衡量搅拌机的优劣[11]。单一地从宏观角度提高搅拌机性能，已无法获得更大的提升搅拌功效性能的空间，而对搅拌最终效果的提升，并不能以提高某项性能为条件，如更换电机、更换桨型、改变搅拌槽尺寸等。近年来研究者发现应该考虑搅拌釜内的流态性能，以混合物到达均匀混合效果时的力学和流场特性对搅拌机进行相应的改进。搅拌机、混合物均匀混合的关键是要弄清对某种混合物需要什么样的流场，从而使用什么型式桨型才能以最少的能耗来获得所需的流场。近年来，以激光为手段的测量仪器的发展以利用到流场特性研究领域。激光测速技术具有高精度、高方向敏感性等特点，在流动测量监测中得到了广泛应用和发展，成为研究搅拌流场的强有力工具。它包括激光多普勒测速仪LDV和粒子成像测速仪，LDV和PIV作为一种有效的流场测量手段，为研究者提供了丰富的湍流参数和生动的流场模型[12]。

(3) 搅拌机的结构由简单化向组合化方向发展。

随着现代机械设计工业的发展，使得搅拌机有了进一步的发展空间，搅拌效率得以提高。组合桨型和新型桨型的出现，可改变或增强流场特性，达到高效的均匀混合。如采用旋转时，混合物出桨方向相反的组合桨，可提高剪切速率，利于混合物分散，还可产生较强的循环能力。在搅拌槽侧壁内安装挡板，可增强剪切效果，但挡板安设位置、安设角度、挡板大小等参数还需在工业设计时等到充分论证，这些过程的搅拌都可以看作是搅拌桨搅拌效果的完善或补充。针对不同的工况国内外已研制出许多不同的组合桨，但这些组合桨基本上都是对现有桨型进行组合和叠加，而对组合桨的整体结构和整个搅拌槽内组件的优化设计报道却较少，这也是国内外对搅拌机的结构的改进所需研究的一个方向。

[1]王新民.基于深井开采的充填材料与管输系统的研究[D].长沙:中南大学,2005.

[2]王新民,肖卫国,张钦礼.深井矿山充填理论与技术[M].长沙:中南大学出版社,2005:1-9.

[3]李冬青,杨承祥,施士虎.全尾砂高浓度充填技术在深井矿山应用研究[J].金属矿山,2009(7):13-15.

[4]李立民.搅拌机参数优化及其试验研究[D].西安:长安大学,2006.

[5]戴荣锦.血液流变学基础及临床基础[M].南昌:江西科学技术出版社,1994:8-10.

[6]黄卫星,李建明,肖泽仪.工程流体力学[M].北京:化学工业出版社,2009:10-12.

[7]刘同有.充填采矿技术与应用[M].北京:冶金工业出版社,2001:197-210.

[8]靳兆文,潘家祯.新型组合桨搅拌性能研究[J].化学工业与工程技术,2006,27(6):20-23.

[9]丁文蕴,刘青.多层CBY组合桨搅拌槽内混合特性的研究[J].高校化学工程学报,1999,13(4):352-357.

[10]朱向哲,王伟.搅拌桨排列方式对流场影响的有限元分析[J].石油化工设备,2007,36(3),50-54.

[11]BRODKEY R S. Turbulence in mixing operation[M]. NewYork:Academic Press Inc.1975: 94-110.

[12]王平玲,沈惠平,张锁龙.一种高效节能型轴流式搅拌桨的研究和设计[J].煤矿机械,2006,27(11):23-26.

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