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[摘 要]搅拌机是工程施工和工业生产中的一种重要设备，在石油、生物、冶金、矿产等多个领域均有应用。本文以磷矿浆搅拌作业为例，对磷矿浆搅拌过程中砂砾对桨叶的冲蚀磨损研究展开了分析。文章首先概述了矿将搅拌的基本原理和冲蚀磨损理论的内容，随后利用仿真软件模拟了矿浆搅拌过程，并对搅拌桨叶的磨损趋势进行了分析。
[关键词]矿将搅拌；砂粒；桨叶；冲蚀磨损
中图分类号：TV536 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0197-01
引言：矿浆搅拌过程中的冲蚀磨损大体分为两种，即切削磨损、变形磨损。当砂粒冲击桨叶的角度小于九十度时，矿物砂粒对桨叶的冲蚀主要发生在桨叶表面，材料力学将其定义为切削磨损；当砂粒冲击桨叶的角度大于九十度时，矿物砂粒直接冲蚀桨叶，并产生疲劳破坏，材料力学将其定义为变形磨损。矿浆砂粒对桨叶冲蚀磨损程度的影响主要取决于冲击速度和冲击角度，这两种因素共同影响着矿物砂粒与桨叶表面的相互剪切作用，基于这一点考虑，我们可以借助于分析浆液表面材料的剪应力来预测搅拌桨叶的冲蚀磨损趋势。
一、矿浆搅拌原理与冲蚀磨损理论
1.选矿搅拌原理
在进行磷矿浆搅拌的过程中，主要存在气相、液相、固相三种形态。其中，空气虽然以气相形式存在，但是在搅拌过程中，空气往往会与矿浆充分接触和融合；固相中的砂粒悬浮于液相中。气相与液相相接处的面称为“气-液分界面”，气相和固相相接处的面称为“气-固分界面”，固相和液相相接处的面成为“固-液分界面”。通常将搅拌过程中的空气矿浆称作三相体系，在体系中存在的各种各样现象中对搅拌影响较大的就是湿润和吸附现象。
2.搅拌的流型
搅拌桨（桨叶）的作用是通过搅拌，使磷矿浆中的各类配料得到充分的混合，从而提升矿浆的理化性能。搅拌桨的搅拌速度由人为控制，并且根据其运动轨迹的不同，分为轴向流、径向流两种。转动过程中搅拌桨将能量传递给槽内混合液体，促使混合液体在槽内按一定路径循环流动，以满足混合液体充分混合的技术要求。
3.矿浆搅拌效果的影响因素
结合以往的工作经验，矿浆搅拌过程中，可能会对其搅拌效果产生影响的因素主要包括以下几种：第一是搅拌设备的影响，包括桨叶的尺寸规格、桨叶的数量、转动速度等。以桨叶转动速度为例，如果转动速度偏慢，一方面是影响矿浆搅拌的效率，难以满足工作需求；另一方面则会导致矿浆粘稠度过高，影响使用质量；第二是矿浆中各个物料的比例及其介质的理化性质。如果矿浆中水的比例较大，矿浆较为稀薄，则桨叶旋转阻力较小，搅拌速度较快；第三是矿浆的充气量。在矿浆搅拌时，往往需要用充氣设备向矿浆中输入一定量的空气。这些空气从矿浆底部自下而上的运动，其中部分气泡会粘附在疏水性砂粒的表面，这样可以在一定程度上提高矿浆理化性能的效果。冲入空气的量应当根据搅拌设备的类型、搅拌速度等决定，理论上来说，桨叶选择速度越快，在充气量越大，以保证砂粒能够与空气充分接触。
4.冲蚀磨损理论
从作用效果上来看，冲蚀磨损也是一种物理磨损现象，在矿浆搅拌过程中，由于多相流动介质不断冲击桨叶表面，导致桨叶出现磨损或变形，这里的流动介质可以高速气流或液流，也可以是以固相形式存在的砂粒。虽然冲蚀介质的形式存在较大差异，但是其机理却有较强的类似性：首先，根据牛顿第三定律可知，力的作用是相互的，当矿浆冲击桨叶表面时，桨叶由于不停的转动，也会施加给矿浆一个反向的作用力。在这种情况下，桨叶表面作为主要的受力接触面，往往会出现磨损。除此之外，矿浆中砂粒的密度、体积以及砂粒冲击桨叶的角度，都决定着冲蚀磨损的程度，其中冲击角度决定着撞击能量的转换率，当冲击角度小于90°时，砂粒撞击桨叶的能量将会大部分转化为摩擦力和撞击力；当冲击角度大于90°时，砂粒撞击桨叶的能力被大部分反弹出去。
二、矿浆搅拌过程中流场仿真模型的构建流程
利用仿真软件，在计算机上模拟矿浆搅拌的整个过程，并通过人为调节矿浆搅拌中的各项参数（搅拌速度、桨叶面积等），获取大量的数据信息，从而为开展砂粒对桨叶的冲蚀磨损研究起到了参考作用。本文以“液-固两相流”为例，对其搅拌过程进行了仿真模拟，并结合动量守恒定理、能量守恒定律等理论依据，建立起了基本的数学模型。具体的建模流程可分为四步：
第一步是针对矿浆搅拌的过程和以往的工作经验，建立相应数学模型，并且将矿浆搅拌中的具体数据作为信息输入到该模型中，以便于更加直观的体现出“液-固两相流”的运动特性，确保了仿真结果的真实性。第二步是以“欧拉-拉格朗日”方程的特点和应用特性，分别建立液相、固相两个方程，并且在通过方程计算，求出液相中砂粒受力分析，随后将方程计算结果作为原始数据，在仿真软件上得出砂粒的运动轨迹和冲蚀磨损角度。第三步，根据搅拌设备的几何网格，确定出搅拌过程中的定义边界条件，并利用模拟器求出相应的计算结果。
三、搅拌桨的磨损趋势分析
矿物微粒磨损分为切削磨损和变形磨损，主要判据为矿物微粒的冲击角。当冲击角较小时形成切削磨损，因为碰撞主要发生在切向。当冲击角较大时形成变形磨损，桨叶表面将发生疲劳破坏。矿物粒子一定的速度和角度冲击并侵入材料表面，从而引起材料的迁移，根本原因就是表面坚硬的矿物粒子对材料的切削作用。在一定的接触应力下，桨叶表面的粗糙度与其磨损量成正比例关系。
四、总结与展望
1.总结
（1）本文首先概述了矿浆搅拌过程中的工艺要素和常见的选矿方法，结合实际的工作经验可知，砂粒对桨叶的冲蚀形式主要分为切向磨损和直接撞击两种，并且两种冲蚀磨损形式的作用形式和形成因素存在一定的差异。随后介绍了导致矿浆搅拌过程中对搅拌效果造成影响的几种可能性因素，包括搅拌设备、搅拌速度以及搅拌方式等。不同的桨叶面积和不同的旋转速度，导致砂粒与桨叶的接触形式和沖蚀磨损状况也会存在一定的差异。最后，通过分析不同流型对搅拌效果的影响，为构建框架搅拌的数学模型和进一步开展冲蚀磨损的研究起到了必要的支撑作用。
（2）结合以往的工作经验和在总结大量工作数据的基础上，利用计算机仿真软件构建矿浆搅拌的数学模型，同时利用浆液的两相流特性作为检测仿真模型运行的准确性。随后，利用“欧拉-拉格朗日”方程的特性，以液相、固相的两种矿浆形态分别进行方程运算，并将计算结果作为参照信息，利用仿真软件模拟出砂粒对对桨叶的冲蚀磨损状况。最后完成搅拌槽的几何网格划分，定义边界并利用模拟器求解。
2.展望
本文完成了液-固两相流桨叶冲蚀磨损数值仿真，并在相关实验中达到了预期的效果。但是从整体上来看，由于相关的实验大多是在计算机仿真软件上进行，虽然数据来源于实际测量，但是模拟仿真与实际工作仍然存在一定的出入，因此砂粒对桨叶的冲蚀磨损研究结论只能作为一种参考和依据。在下一步的研究中，需要重点考虑流固双向耦合，浆液温度变化，PH值等因素对磨损的综合影响问题，从而确保冲蚀磨损的研究结论能够为优化矿浆搅拌提供必要的支持。
参考文献
[1] 王志文，陈欣.弗罗里达磷酸盐矿浆用阴离子捕收剂调浆过程中优化搅拌变量的小型试验[J].现代矿业，2013（03）：109-112.
[2] 何建成，卢世杰，周宏喜，等.立式螺旋搅拌磨机磨矿机理研究——矿浆浓度及磨矿时间的影响[J].有色金属（选矿部分），2015（05）：166-168.
[3] 李国禄，李楠楠，王海斗，等.不同喷涂工艺制备的Al_2O_3-13%TiO_2涂层表面自由能与冲蚀磨损性能研究[J].机械工程学报，2016，52（10）：159-166.
[关键词]矿将搅拌；砂粒；桨叶；冲蚀磨损
中图分类号：TV536 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0197-01
引言：矿浆搅拌过程中的冲蚀磨损大体分为两种，即切削磨损、变形磨损。当砂粒冲击桨叶的角度小于九十度时，矿物砂粒对桨叶的冲蚀主要发生在桨叶表面，材料力学将其定义为切削磨损；当砂粒冲击桨叶的角度大于九十度时，矿物砂粒直接冲蚀桨叶，并产生疲劳破坏，材料力学将其定义为变形磨损。矿浆砂粒对桨叶冲蚀磨损程度的影响主要取决于冲击速度和冲击角度，这两种因素共同影响着矿物砂粒与桨叶表面的相互剪切作用，基于这一点考虑，我们可以借助于分析浆液表面材料的剪应力来预测搅拌桨叶的冲蚀磨损趋势。
一、矿浆搅拌原理与冲蚀磨损理论
1.选矿搅拌原理
在进行磷矿浆搅拌的过程中，主要存在气相、液相、固相三种形态。其中，空气虽然以气相形式存在，但是在搅拌过程中，空气往往会与矿浆充分接触和融合；固相中的砂粒悬浮于液相中。气相与液相相接处的面称为“气-液分界面”，气相和固相相接处的面称为“气-固分界面”，固相和液相相接处的面成为“固-液分界面”。通常将搅拌过程中的空气矿浆称作三相体系，在体系中存在的各种各样现象中对搅拌影响较大的就是湿润和吸附现象。
2.搅拌的流型
搅拌桨（桨叶）的作用是通过搅拌，使磷矿浆中的各类配料得到充分的混合，从而提升矿浆的理化性能。搅拌桨的搅拌速度由人为控制，并且根据其运动轨迹的不同，分为轴向流、径向流两种。转动过程中搅拌桨将能量传递给槽内混合液体，促使混合液体在槽内按一定路径循环流动，以满足混合液体充分混合的技术要求。
3.矿浆搅拌效果的影响因素
结合以往的工作经验，矿浆搅拌过程中，可能会对其搅拌效果产生影响的因素主要包括以下几种：第一是搅拌设备的影响，包括桨叶的尺寸规格、桨叶的数量、转动速度等。以桨叶转动速度为例，如果转动速度偏慢，一方面是影响矿浆搅拌的效率，难以满足工作需求；另一方面则会导致矿浆粘稠度过高，影响使用质量；第二是矿浆中各个物料的比例及其介质的理化性质。如果矿浆中水的比例较大，矿浆较为稀薄，则桨叶旋转阻力较小，搅拌速度较快；第三是矿浆的充气量。在矿浆搅拌时，往往需要用充氣设备向矿浆中输入一定量的空气。这些空气从矿浆底部自下而上的运动，其中部分气泡会粘附在疏水性砂粒的表面，这样可以在一定程度上提高矿浆理化性能的效果。冲入空气的量应当根据搅拌设备的类型、搅拌速度等决定，理论上来说，桨叶选择速度越快，在充气量越大，以保证砂粒能够与空气充分接触。
4.冲蚀磨损理论
从作用效果上来看，冲蚀磨损也是一种物理磨损现象，在矿浆搅拌过程中，由于多相流动介质不断冲击桨叶表面，导致桨叶出现磨损或变形，这里的流动介质可以高速气流或液流，也可以是以固相形式存在的砂粒。虽然冲蚀介质的形式存在较大差异，但是其机理却有较强的类似性：首先，根据牛顿第三定律可知，力的作用是相互的，当矿浆冲击桨叶表面时，桨叶由于不停的转动，也会施加给矿浆一个反向的作用力。在这种情况下，桨叶表面作为主要的受力接触面，往往会出现磨损。除此之外，矿浆中砂粒的密度、体积以及砂粒冲击桨叶的角度，都决定着冲蚀磨损的程度，其中冲击角度决定着撞击能量的转换率，当冲击角度小于90°时，砂粒撞击桨叶的能量将会大部分转化为摩擦力和撞击力；当冲击角度大于90°时，砂粒撞击桨叶的能力被大部分反弹出去。
二、矿浆搅拌过程中流场仿真模型的构建流程
利用仿真软件，在计算机上模拟矿浆搅拌的整个过程，并通过人为调节矿浆搅拌中的各项参数（搅拌速度、桨叶面积等），获取大量的数据信息，从而为开展砂粒对桨叶的冲蚀磨损研究起到了参考作用。本文以“液-固两相流”为例，对其搅拌过程进行了仿真模拟，并结合动量守恒定理、能量守恒定律等理论依据，建立起了基本的数学模型。具体的建模流程可分为四步：
第一步是针对矿浆搅拌的过程和以往的工作经验，建立相应数学模型，并且将矿浆搅拌中的具体数据作为信息输入到该模型中，以便于更加直观的体现出“液-固两相流”的运动特性，确保了仿真结果的真实性。第二步是以“欧拉-拉格朗日”方程的特点和应用特性，分别建立液相、固相两个方程，并且在通过方程计算，求出液相中砂粒受力分析，随后将方程计算结果作为原始数据，在仿真软件上得出砂粒的运动轨迹和冲蚀磨损角度。第三步，根据搅拌设备的几何网格，确定出搅拌过程中的定义边界条件，并利用模拟器求出相应的计算结果。
三、搅拌桨的磨损趋势分析
矿物微粒磨损分为切削磨损和变形磨损，主要判据为矿物微粒的冲击角。当冲击角较小时形成切削磨损，因为碰撞主要发生在切向。当冲击角较大时形成变形磨损，桨叶表面将发生疲劳破坏。矿物粒子一定的速度和角度冲击并侵入材料表面，从而引起材料的迁移，根本原因就是表面坚硬的矿物粒子对材料的切削作用。在一定的接触应力下，桨叶表面的粗糙度与其磨损量成正比例关系。
四、总结与展望
1.总结
（1）本文首先概述了矿浆搅拌过程中的工艺要素和常见的选矿方法，结合实际的工作经验可知，砂粒对桨叶的冲蚀形式主要分为切向磨损和直接撞击两种，并且两种冲蚀磨损形式的作用形式和形成因素存在一定的差异。随后介绍了导致矿浆搅拌过程中对搅拌效果造成影响的几种可能性因素，包括搅拌设备、搅拌速度以及搅拌方式等。不同的桨叶面积和不同的旋转速度，导致砂粒与桨叶的接触形式和沖蚀磨损状况也会存在一定的差异。最后，通过分析不同流型对搅拌效果的影响，为构建框架搅拌的数学模型和进一步开展冲蚀磨损的研究起到了必要的支撑作用。
（2）结合以往的工作经验和在总结大量工作数据的基础上，利用计算机仿真软件构建矿浆搅拌的数学模型，同时利用浆液的两相流特性作为检测仿真模型运行的准确性。随后，利用“欧拉-拉格朗日”方程的特性，以液相、固相的两种矿浆形态分别进行方程运算，并将计算结果作为参照信息，利用仿真软件模拟出砂粒对对桨叶的冲蚀磨损状况。最后完成搅拌槽的几何网格划分，定义边界并利用模拟器求解。
2.展望
本文完成了液-固两相流桨叶冲蚀磨损数值仿真，并在相关实验中达到了预期的效果。但是从整体上来看，由于相关的实验大多是在计算机仿真软件上进行，虽然数据来源于实际测量，但是模拟仿真与实际工作仍然存在一定的出入，因此砂粒对桨叶的冲蚀磨损研究结论只能作为一种参考和依据。在下一步的研究中，需要重点考虑流固双向耦合，浆液温度变化，PH值等因素对磨损的综合影响问题，从而确保冲蚀磨损的研究结论能够为优化矿浆搅拌提供必要的支持。
参考文献
[1] 王志文，陈欣.弗罗里达磷酸盐矿浆用阴离子捕收剂调浆过程中优化搅拌变量的小型试验[J].现代矿业，2013（03）：109-112.
[2] 何建成，卢世杰，周宏喜，等.立式螺旋搅拌磨机磨矿机理研究——矿浆浓度及磨矿时间的影响[J].有色金属（选矿部分），2015（05）：166-168.
[3] 李国禄，李楠楠，王海斗，等.不同喷涂工艺制备的Al_2O_3-13%TiO_2涂层表面自由能与冲蚀磨损性能研究[J].机械工程学报，2016，52（10）：159-166.