高剪切造粒过程中铁矿颗粒聚集生长行为的离散元模拟与机理研究

为解决铁矿粉体在传统滚筒造粒中水分分布不均、颗粒尺寸偏析严重等问题，研究人员通过离散元方法(DEM)建立了液桥力模型与颗粒聚集模型，模拟高剪切造粒过程中颗粒的聚集生长行为。研究发现铁矿造粒主要遵循层状生长机制，液桥力与碰撞能量的耦合控制显著影响准颗粒尺寸分布，为优化高剪切造粒工艺提供了微观尺度理论依据。

　　

在钢铁工业中，烧结矿作为高炉炼铁的核心原料，其质量直接关系到生产效率与污染物排放。然而传统滚筒造粒工艺在处理难造粒物料时，常面临水分分布不均、液桥力差异大导致的颗粒严重偏析问题，严重影响烧结床透气性和燃料燃烧效率。这一"卡脖子"难题长期制约着我国年产量超10亿吨的烧结矿产业升级。

针对这一挑战，重庆大学的研究团队创新性地提出水平高剪切造粒工艺，通过搅拌叶片强化颗粒混合。为揭示其微观机理，研究人员在《Powder Technology》发表研究，采用离散元方法(DEM)进行二次开发，建立了基于液桥力(F_ij^cap)与碰撞能量耦合控制的颗粒聚集模型。研究通过跟踪单个颗粒的受力和运动，分析了造粒时间、水分含量和接触角等参数对液桥力、粘附颗粒数量及准颗粒尺寸分布的影响规律。

关键技术包括：1) 构建考虑毛细力、表面张力的液桥力模型；2) 开发颗粒碰撞-粘附判定算法；3) 模拟不同工艺参数下的颗粒聚集动力学过程。研究选用铁矿粉体为样本，通过DEM方程求解颗粒平移(m_idV_i/dt)和旋转(I_idω_i/dt)运动。

【DEM模型】部分显示，颗粒运动受重力、法向/切向接触力(F_ijⁿ/F_ij^t)、液桥力和粘滞力的综合作用。模型验证表明，模拟结果与物理实验获得的准颗粒尺寸分布高度吻合。

【结论】揭示三大发现：1) 铁矿造粒主要遵循层状生长机制，平均粒径随造粒时间显著增加；2) 水分含量通过增强液桥力促进聚集，但过量会导致颗粒尺寸偏析；3) 接触角增大(润湿性变差)会削弱液桥力，抑制颗粒生长。

该研究首次实现了高剪切条件下铁矿颗粒聚集全过程的DEM模拟，为优化造粒工艺参数提供了理论支撑。Yang You和Xuewei Lv团队的研究成果，不仅解决了传统造粒的微观机理认知空白，更为开发高效低耗的高剪切造粒装备奠定了技术基础，对推动钢铁工业绿色智能制造具有重要意义。