趙海波

(湖南長(zhǎng)高礦山機(jī)電設(shè)備有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007)

攪拌作為一種應(yīng)用廣泛的單元操作，在有色金屬工業(yè)生產(chǎn)中占有相當(dāng)重要的地位。

機(jī)械攪拌裝置是以液體為主體作為操作介質(zhì)。有色金屬行業(yè)中，這些液體介質(zhì)均屬牛頓型流體，且其粘度都在2 000 mPa·s以內(nèi)。

攪拌作業(yè)按其目的不同，有固液相的懸浮與分散攪拌、混合攪拌、傳熱攪拌、傳質(zhì)攪拌等等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，攪拌作業(yè)需要實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)綜合性的目的或效果，但最基本的目的是固液相的懸浮。只有實(shí)現(xiàn)固相顆粒在槽內(nèi)液位80%以上高度內(nèi)均勻懸浮，即美國(guó)《Chemical Engineering》雜志于1976年發(fā)表的按“攪拌等級(jí)”描述的四級(jí)以上的強(qiáng)度，其它作業(yè)如混合、傳質(zhì)、傳熱等才能實(shí)現(xiàn)。

有色金屬行業(yè)的攪拌作業(yè)，介質(zhì)磨蝕性較強(qiáng)或常具有腐蝕性質(zhì)，而不同的工藝過(guò)程對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、規(guī)格、材質(zhì)等存在多樣性要求，但制作的數(shù)量較少，常常是單件生產(chǎn)，所以難以實(shí)現(xiàn)系列化定型供貨，對(duì)此類設(shè)備稱為非標(biāo)設(shè)備，均按工藝實(shí)際要求進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)和制作供應(yīng)。

1 問(wèn)題的提出

機(jī)械攪拌裝置在有色金屬行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是選礦過(guò)程的固液懸浮和溶解攪拌及冶煉過(guò)程的固液懸浮、溶解和調(diào)合過(guò)程。在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈的條件下，企業(yè)既要保證產(chǎn)品質(zhì)量第一，又要保證在競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)，于是對(duì)攪拌裝置的成本要求越來(lái)越苛刻。

機(jī)械攪拌裝置示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械攪拌裝置示意圖

固液懸浮作業(yè)，葉輪轉(zhuǎn)速nJ與葉輪直徑dJ的乘積正比于攪拌葉輪的線速度，也正比于槽內(nèi)橫截面上的表觀流速，它決定懸浮作業(yè)的強(qiáng)度。如何合理確定nJ和dJ之值，是本文討論的要點(diǎn)。以下就機(jī)械行業(yè)常用的幾種攪拌裝置的主要參數(shù)和功率選擇方法進(jìn)行比較分析。

2 機(jī)械攪拌裝置參數(shù)選擇

攪拌軸功率計(jì)算公式:

式中NP為功率準(zhǔn)數(shù)(常數(shù));ρ為液相的密度/kg·m－3; nJ為葉輪直徑/mm;dJ為葉輪轉(zhuǎn)速/r·min－1。

攪拌軸功率計(jì)算參數(shù)的選擇計(jì)算:

1.dJ為葉輪直徑，根據(jù)美國(guó)萊寧公司(LIGHTNIN)開(kāi)發(fā)了用于固相懸浮作業(yè)、采用軸向流型的四折葉旋槳式高效葉輪:dJ/D=0.2～0.5，D為攪拌設(shè)備直徑/mm。

2.nJ為攪拌速度，根據(jù)Chemical Engineering雜志1976年發(fā)表的按“攪拌等級(jí)”確定nJ的方法計(jì)算:

式中Vc為固體顆粒的設(shè)計(jì)沉降速度/m·s－1，Vc=φv ×Vd;Vd為固體顆粒在水中的平均沉降速度/m·s－1; φv為校正系數(shù)/(常數(shù))，濃度50%;φx為相關(guān)作用參數(shù)(常數(shù))，6級(jí)攪拌等級(jí)時(shí)，φx=1.1×1011。

3 參數(shù)選擇計(jì)算結(jié)果及討論

根據(jù)固液懸浮決定攪拌效果的主要因素:葉輪線速度VJ=π×nJ×dJ/60，根據(jù)攪拌裝置的放大原理，為達(dá)到固液懸浮(有色金屬行業(yè)經(jīng)驗(yàn):線速度為5～5.5 m/s)的目的，對(duì)放大因子nJ、dJ進(jìn)行選擇比較分析。

3.1 參數(shù)選擇方案

以φ3.0×3.0攪拌器為例(以下均為已投產(chǎn)正常運(yùn)行產(chǎn)品)，有如下的參數(shù)選擇方案:

方案A:高nJ，低dJ/D:nJ=210 r/min;dJ/D= 0.23、dJ=700 mm(查選礦施工圖設(shè)計(jì)手冊(cè)、皮帶輪傳動(dòng))。

方案B:低 nJ，高dJ/D:nJ=65 r/min;dJ/D= 0.48、dJ=1 450 mm(減速機(jī)傳動(dòng))。

方案C:居中nJ，dJ/D:nJ=95 r/min;dJ/D= 0.33、dJ=1 000 mm(減速機(jī)傳動(dòng))。

3.2 參數(shù)計(jì)算結(jié)果及討論

3.2.1 攪拌軸功率計(jì)算

攪拌軸功率計(jì)算公式:

根據(jù)功率計(jì)算公式分別計(jì)算三種方案所需的功率:

比較三種功率:NCA∶NCB∶NCC=1.81∶2.05∶1

3.2.2 攪拌軸直徑計(jì)算

攪拌軸直徑計(jì)算公式:

式中Mu為扭矩/Nm，Mu=97 400×NC/nJ;τu為軸材料的許用剪應(yīng)力/kN·m－2。

根據(jù)直徑計(jì)算公式分別計(jì)算三種方案攪拌軸的直徑:

比較三種攪拌軸直徑:d0A∶d0B∶d0C=1∶1.52∶1

3.2.3 攪拌軸重量計(jì)算

攪拌軸重量計(jì)算公式:

式中L為攪拌軸軸長(zhǎng)度/mm;δ為攪拌軸材料密度/kg·m－3。

根據(jù)重量計(jì)算公式，比較三種攪拌軸重量:GA∶GB∶GC=1∶2.31∶1

3.2.4 傳動(dòng)方式比較分析

比較減速機(jī)與皮帶輪傳動(dòng)特點(diǎn)，減速機(jī)傳動(dòng)特點(diǎn):承載能力高、體積小、重量輕、噪音低、效率高、可靠性高，互換性強(qiáng)。皮帶輪傳動(dòng)特點(diǎn):有彈性滑動(dòng)和打滑;傳動(dòng)效率較低和不能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比;皮帶的壽命較短;轉(zhuǎn)速快造成攪拌葉輪極易磨損，且皮帶輪的直徑等尺寸都是自己根據(jù)減速比配的;皮帶輪為鑄造件加工困難，且互換性差，造成后期維護(hù)成本高;皮帶輪小，帶輪為標(biāo)準(zhǔn)輪，規(guī)格在φ200以上，傳動(dòng)比越大，即大帶輪直徑越大，不適合大傳動(dòng)比傳動(dòng)。

通過(guò)減速機(jī)與皮帶輪傳動(dòng)的比較知:減速機(jī)傳動(dòng)已逐漸替代皮帶輪傳動(dòng)。

通過(guò)攪拌軸功率計(jì)算比較知:方案C比方案B所需減速機(jī)功率更小，即功耗最小。

通過(guò)攪拌軸直徑及重量計(jì)算知:方案C比方案B所需材料制作成本更小，即利潤(rùn)最大。

4 結(jié)語(yǔ)

在有色金屬行業(yè)中，固液懸浮中的固相一般為含有價(jià)金屬的礦物，其密度一般大于3 g/cm3，粘度低屬于牛頓型流體(即其粘度不隨攪拌設(shè)備中的攪拌轉(zhuǎn)速變化，也不隨位置而變);且一般礦石需經(jīng)過(guò)球磨機(jī)研磨，研磨后礦石顆粒大小一般為－74 μm以下70%～80%，少部分顆粒大小為200～300 μm;而行業(yè)經(jīng)驗(yàn):線速度在5～5.5 m/s時(shí)，可以保證固相顆粒在槽內(nèi)液位80%以上高度內(nèi)均勻懸浮，即達(dá)到6級(jí)攪拌等級(jí)。

通過(guò)以上幾種參數(shù)的計(jì)算比較，得知方案C:采用減速機(jī)傳動(dòng)，葉片轉(zhuǎn)速nJ=95 r/min，葉片直徑dJ=1 000 mm，線速度為5 m/s，在保證相同攪拌效果的條件下所需減速機(jī)功率最低、攪拌軸直徑及重量最小，且耐磨損即壽命較長(zhǎng)，符合企業(yè)既要滿足客戶需求又生產(chǎn)成本最低化的要求。同類產(chǎn)品均可按以上方法選用參數(shù)。

此類產(chǎn)品在陜西華光金堆城、貴州洋浦恒立化工有限公司、廣西中金嶺南礦業(yè)有限公司、金川集團(tuán)有限公司等單位已投入生產(chǎn)，深受客戶好評(píng)。

［1］ 《選礦施工圖設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).選礦施工圖設(shè)計(jì)手冊(cè)(中冊(cè))［M］.長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［2］ 陳志平，章序文，林興華，等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［3］ 《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)》編輯委員會(huì).化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)攪拌設(shè)備［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］ Tanase Gh.Dobre，José G.Sanchez Marcano.Chemical Engineering［M］.加拿大:Elsevier Science，2007.