基于离散单元法的半自磨机工作参数研究.pdf

6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s m l 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 6 ．0 1 7 基于离散单元法的半自磨机工作参数研究 蔡改贫，王俊，余世科，周小磊 江西理工大学机电工程学院，江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要通过离散元软件E D E M 建立了半白磨机的载荷动力学仿真模型，分析了半自磨机简体内部载荷颗粒流动行为 以及工作参数对磨矿性能的影响。E D E M 模型直观地说明了转速率和衬板形状对载荷运动形态的影响，通过对衬板高度 5 0 - 2 0 0m m 、转速率 5 0 ％- 1 1 0 ％ 、直径为5m 的磨机进行仿真，得出了随着转速率和衬板尺寸的增加磨机的功率会随 之增加、且当转速率达到0 ．8 左右时半自磨机的功率会逐渐下降的结论，验证了在磨矿作业时功率低利用性特点，这些均显 示了离散元在分析和改进半自磨机工作参数方面的优越性。 关键词半自磨机；离散单元法；工作参数 中图分类号T I M 5 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 4 0 6 - 0 0 6 6 - 0 4 R e s e a r c ho nt h eO p e r a t i n gP a r a m e t e r so fS A GM i l lU s i n gD i s c r e t eE l e m e n tM e t h o dS i m u l a t i o n C A ／G a i p i n ，W A N GJ u n ，Y US h i k e ，Z H O UX i a o l e i S c h o o lo fM e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g ，J i a n g x iU n i v e r s i t yo f | s c 跑，l c ea n dT e c h n o l o g y ，G a n z h o u 垅唰3 4 1 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h i sp a p e r ，t h el o a dd y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e lo fs e m i a u t o g e n o u s S A G m i l l si S b u i l d e db yt } l ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o ds o f t w a r eE D E M ，． i． ’．w h i c h U S et oa n a l y s i s t h i e f l o wo fp a r t i c u l a t e sa ndthem i l lp e r f o r m a n c end i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r sI tSe a s yt od i s c o v e rt h en f l u e n c e se x c e e db yt h e m i l lr a t ea n dt h es h a p eo ft h el i n e rf r o mt l l eS A Gm i l lm o d e l 。a n dt h eE D E Mh a sb e e nu s e di nt h i sw o r k t om o d e lt h ee f f e c to fl i n e rh e i g h t 5 0 ～2 0 0r a m a n dm i l ls p e e d 5 0 ％～1 1 0 ％o fc r i t i c a l o nt h em i l l p e r f o r m a n c ei n a5m e t e r sd i a m e t e ro fS A Gm i l l ．I t ’Sf o u n dt h a tt h ep o w e rd r a wi n c r e a s e s 鹪t h em i l l r o t a t i o n a lv e l o c i t yi n c r e a s e sa n dt h ei n c r e a s e so ft h el i n e rh e i g h t ，a n dr e a c ht h em a x i m u mw h e nt h es p e e d a b o u t8 0 ％o fc r i t i c a l 。I t ’Sa l s of o u n dt h a tt h ep o w e rt ot h eo p e r a t em i l l so f t e ni nal o we f f i c i e n c y ．A Uo f w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tE D E Mm o d e l i n gi sa ne f f e c t i v em e a n so fa n a l y z i n ga n do p t i m i z i n go p e r a t i n g p a r a m e t e r so fS A Gm i l l s ． K e yw o r d s s e m i a u t o g e n o u s S A G m i l l s ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ；o p e r a t i n gp a r a m e t e r s 半自磨机是当前在矿物加工行业运用最广泛的 磨矿设备之一，由于磨矿过程的复杂性很难建立一 个准确的模型来描述这一过程[ 1 ] 。生产过程中， 正确处理好半自磨机转速率、填充率、衬板的高度 和数目等参数，使半自磨机稳定运行在最佳工作 点，避免出现过磨、砸衬板等现象，是实现磨矿过 程节能降耗的关键[ 2 ] 。实际生产中一般都是由操 作人员通过振动、声响、排料的粒度来判断磨机的 工作状态，凭经验判断带有太多的主观性和随意 性[ 3 | 。 离散单元法是目前运用最多的一种颗粒离散体 物料分析方法，它主要用来研究离散体的动力学行 为，E D E M 软件就是一款基于离散单元法思想的 C A E 软件⋯。目前，基于离散元模型的磨机研究 已取得了一定有价值的成果。半自磨机工作参数的 分析是一项重要的内容，工作参数的不同设置直接 影响磨机内载荷的运动形态，‘在一定程度上决定着 磨机内部的能量分布和磨矿效率[ 5 3 。因此本文应 用三维离散元软件E D E M 建立半自磨机仿真模型， 对半自磨机主要工作参数进行研究与分析，主要是 基金项目江西省高校科技落地计划项目 K J D l 3 0 4 5 ，江西省研究生创新基金 Y C 2 0 1 3 - S 1 9 3 收稿日期2 0 1 4 - 0 1 1 6修回1 3 期2 0 1 4 埘一2 0 话看简夼蔡改贫 1 9 6 4 一 ，男，江西赣州人，博士，硕士生导师。主要研究方向为 近 净成形新技术研究与装备开发、物料高效破碎 技术研究与装备开发。 万方数据 2 0 1 4 年第6 期蔡改贫等基于离散单元法的半自磨机工作参数研究6 7 分析各主要参数对半自磨机的效率影响，确定合理 的参数配置。 1 半自磨机的磨矿机理及工作参数 1 ．1 磨矿机理 从1 9 3 2 年世界上第一台自磨机的研制成功， 到后来逐渐产生的半自磨机，一直由于半自磨机在 磨矿流程中比常规碎磨流程投资少、见效快、生产 流程短、生产工艺对含泥量大的矿山适应性强、生 产操作人员数量相对较少等优点，被广泛应用于国 内各种大型选矿厂[ 6 】。它是利用矿石自身和少量 钢球磨矿介质在简体转动过程中进行冲击碾磨作用 使矿石被磨碎的设备，其工作原理类似于球磨机， 但是在外观结构上有一定的区别，半自磨机一般都 呈扁平状，这样是为了防止矿石由于筒体的长度过 长引起矿石的离析，提高矿石的自磨性能[ 7 3 。工 作过程中颗粒的运动形态主要分为泻落、抛落、碾 磨三个区域，矿石所受的作用力主要包括1 矿 石下落时的冲击力；2 矿石在碾磨区和泻落区的 磨削力；3 矿石在运动过程中由于状态的变化所 具有的瞬时应力。 1 ．2 半自磨机工作参数 半自磨机在正常的工作过程中总要进行一系列 的工作参数设置，这些参数从不同方面可以分为结 构参数、载荷参数、操作控制参数。这几种不同的 参数之间相互影响，共同决定着半自磨机的工作性 能[ 8 I ，其关系框图如图l 所示。 l 简体直径／宽度筒体转速载荷填充率 I 衬板数量／高度给料速度介质球直径 l 结构参数操作控制参数载荷参数 载荷的运动形态碾磨、抛落、泻落、离心等 半自磨机的性能能耗、磨损情况、产能 图1 半自磨机工作参数关系框图 F i g ．1D i a g r a mo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fS A Gm i l l 由图1 可知，在半自磨机的工作过程中，其工 作性能是由结构参数、载荷参数、操作控制参数共 同决定的。通过离散元软件对不同参数设置下的模 型进行仿真模拟，能够找出更优的参数设置，达到 更好的磨矿效果。 2 工作参数的离散元仿真与分析 2 ．1E 删仿真试验模型 本文以国内某选矿厂的工业半自磨机为原型建 立相应的离散元仿真模型，由于本文的研究重点在 于半自磨机简体内部的载荷颗粒运动过程，且有研 究指出[ ，】从能耗模型观点的角度出发，一个全尺 寸的半自磨机的模型可以用其中的一段截面来表述 本文采用半自磨机长度的1 ，1 0 ，这样就使在模拟 仿真过程中的时间尽量缩短，提高仿真的效率。模 拟过程中建立的简化半自磨机模型，如图2 所示。 筒体内部载荷颗粒 包括磨矿介质和矿石等 抽象 为刚性的颗粒单元体，具有与实际载荷颗粒相同的 材料特性与物理特性，其粒度分布在2 5 ～1 5 0m l n 之间，其它的模拟物理参数如表1 所示。 图2 半自磨机简化仿真模型 F i g ．2 T h em o d e lo fS A Gm i l l 表1半自磨机模型物理参数 T a b l e1 P h y s i c f lp a r a m e t e r so ft h em o d e l 物理参数密度， k g m 。3 弹性恢复系数静摩擦系数滚动摩擦系数 矿石颗粒 26 0 00 ．50 ．40 ．0 5 2 ．2 颗粒群的运动状态分析 多粒级组成的颗粒群在半自磨机筒体内部运动 十分复杂，不同的工作参数的变化直接影响着载荷 颗粒的运动形态。在转速率 筒体实际转速和临界 转速的百分比 相同的情况下，对不同衬板高度自 磨机进行仿真，其动态平衡时刻的载荷颗粒速度分 布仿真图形如图3 所示 载荷颗粒颜色由浅到深代 表速度由高到低 。从该图可以看出衬板几何参数 的变化对载荷的运动形态有着明显的影响，随着衬 板的高度增加，载荷颗粒群被提升的高度增加，获 得更大的势能，且磨矿“死区”面积逐渐减少，为 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第6 期 图3 不同衬板高度情况下颗粒群的运动状态、转速率为o ．7 F i g ．3 T h em o t i o no fc h a r g ei nd i f f e r e n tl i n e rh e i g h t 磨矿破碎起到了积极的作用，但是在实际半自磨机 的衬板设计过程中衬板的结构尺寸往往受到限制， 过大的衬板结构会减小半自磨机的有效体积，降低 处理量。 同样对于同种载荷颗粒在不同的转速率的情况 下，其运动状态也不相同，本文对直径为1 5 0m n l 的载荷颗粒在转速率不同的情况下进行轨迹追踪， 得到在相同仿真时间的条件下载荷颗粒的运动轨迹 如图4 所示。该载荷颗粒一直运动于筒体的左下 部，这个区域也是在半自磨机工作过程中主要的研 磨区域，大部分的载荷颗粒集中在这一区域，且都 是通过低能量的碾磨实现磨矿效果。从图中还可以 看出转速率在O ．8 时，载荷颗粒在相同的时间内运 动过的轨迹明显大于转速率为0 ．6 的情况，这样就 造成了在相同的时间内载荷颗粒的碾磨接触率会提 高，更有助于半自磨机磨矿性能。 半自磨机的处理能力和磨矿效率和筒体的转 速、载荷颗粒中磨矿介质和矿石的配比、填充率、 衬板形状等有着密切的关系，本文主要探讨在简体 内部载荷颗粒配比一定的条件下，针对不同衬板尺 寸、不同转速率、填充率的半自磨机仿真分析。如 图5 所示为在衬板高度为1 5 0n l I n ，转速率在0 ．8 ， 填充率为1 5 ％时各粒级颗粒的速度变化规律。 从图5 可知当仿真时间为4s 左右的时候，进 入了相对稳定状态。由于半自磨机工作的过程是连 续的滚动，从而导致了载荷颗粒的速度呈现出周期 图4 颗粒运动轨迹 F i g ．4 P a r t i c l et r a j e c t o r i e s 万方数据 2 0 1 4 年第6 期蔡改贫等基于离散单元法的半自磨机工作参数研究 o 4 ．5 4 ．0 3 ．5 ’m3 ．0 o 2 ．5 越2 ．0 霎 睁1 ．0 O ．5 O 时问／s 图5 各粒级颗粒平均速度分布 F i g ．5 T h ev e l o c i t yo fp a r t i c l e si nd i f f e r e n ts i z e 性的变化规律，各粒级的速度变化规律类似，但是 随着颗粒的粒度减少其速度相对有所提高，这说明 在半自磨机的工作过程中，大尺寸的颗粒主要以低 速的研磨泻落运动为主，颗粒小的物料更容易被提 升做抛落运动。 2 ．3 半自磨机参数对磨机功率的影响 参数的不同设置是影响磨机功率的主要因素之 一，本文主要讨论在物理参数设置不变的情况下， 随着转速率和衬板高度的增加对磨机功率的影响。 通过对不同参数设置的仿真试验进行筒体转矩的提 取，间接的测量出筒体各个时刻的功率，然后取稳 定运动时间段的功率平均值即为某组仿真试验的磨 机功率，在不同衬板高度和不同转速率下的功率变 化情况如图6 所示。 7 0 ∞ 窜5 0 替4 0 言 3 0 2 0 1S 图6 功率变化图 F i g ．6 M i l lp o w e r 由图6 知该段半自磨机仿真模型的功率在5 0 k W 左右，整机功率约为5 0 0k W ，占磨机总功率 的1 1 1 0 左右，验证了半自磨机在工作过程中真正 用于磨矿的有用功率占总功率的很少一部分。而且 半自磨机功率并不是随着转速率的增加而不断增加 的，而是在转速率达到一定值时 0 ．8 左右 功率 不再增加，反而有减小的趋势。同时衬板的高度增 加会对磨机功率有明显的促进作用，但是衬板的尺 寸形状会受到客观条件的制约，不能无限制的加大 衬板尺寸。这可能是由于不同的参数设置，改变了 筒体内部载荷的运动形态所造成的。由仿真模型求 解得到的功率数据，可以进一步用于探寻半自磨机 高能量消耗的内部机理，为磨机设计提供指导。 3 结论 通过建立半自磨机的E D E M 模型。并从磨机 的工作参数角度出发探讨了载荷颗粒的运动状态、 功率分析等。基于离散元软件E D E M 的半自磨机 工作参数的研究可得到以下两方面的结论 1 在磨机工作过程中，磨机的性能往往是由 多种因素共同作用所影响，随着转速率和衬板的几 何形状的增加，半自磨机的功率有着明显的增加， 当转速率在0 ．8 左右达到一个最佳值。 2 在本文中磨机在磨矿过程的整机功率在 5 0 0k W 左右，是半自磨机整机功率的不足1 ／1 0 ， 磨矿功率的利用率很低，这为磨矿作业时功率利用 率很低的传统说法提供了验证。 参考文献 [ 1 ] M a l e k i - M o g h a d d a mM ，Y a h y a e iM ，B a n i s iS ．Am e t } I o d t o p r e d i c ts h a p ea n dt r a j e c t o r yo fc h a r g e i ni n d u s t r i a l m i l l s [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ．2 0 1 3 ，4 6 ／4 7 1 5 7 - 1 6 6 ． [ 2 ] 孙军峰，董为民，张建勇，等．填充率与转速率对球磨机 功率影响的研究[ J ] ．矿山机械，2 0 1 0 ，3 7 9 7 6 - 7 8 ． [ 3 ] 汤健，赵立杰，岳恒，等．湿式球磨机筒体振动信号 分析及负荷软测量[ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0 。3 1 I I 1 5 2 1 1 5 2 4 ． [ 4 ] 王国强，郝万军，王继新．离散元单元法及其在E D E M 上 的实践[ M ] ．西安西北工业大学出版社，2 0 1 0 4 - 1 2 ． [ 5 ] 胡励，胡国明，万卉，等．球磨机工作参数的离散元 法分析与改进[ J ] ．武汉大学学报 工学版 ，2 0 1 0 ，4 3 6 7 6 2 7 6 9 ． [ 6 ] 杨琳琳，文书明．白磨机和半自磨机的发展和应用[ J ] ． 国外金属矿选矿，2 0 0 5 7 1 3 1 6 ． [ 7 ] 段希祥，肖庆飞．碎矿与磨矿[ M ] ．3 版．北京冶金工 业出版社，2 0 1 2 1 3 9 1 6 9 ． [ 8 ] 何荣权．半自磨系统主要控制参数研究[ J ] ．中国矿山工 程，2 0 儿，4 0 6 2 7 2 9 ． [ 9 ] D j o r d j e v ／cN ，S h iFN ，M o r r i s o nR ．D e t e r m i n a t i o no f l i f t e rd e s i g n ，s p e e da n df i l l i n ge f f e c t si nA Gm i l l sb y 3 DD E M [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，1 7 11 ／1 2 】1 3 孓．1 1 钇 万方数据