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分类号 U D C 密 级 编 号 专业硕士学位论文专业硕士学位论文 大型矿用球磨机的参数优化研究 Research on Parameter Optimization of large-scale ball mill 学位申请人学位申请人 于浩凯于浩凯 指 导 教 师 指 导 教 师 李济顺李济顺 教授教授 合 作 教 师 合 作 教 师 邹声勇邹声勇 教授级高工教授级高工 专 业 领 域 专 业 领 域 机械工程机械工程 学 位 类 别 学 位 类 别 工程硕士工程硕士 2020 年 05 月 万方数据 万方数据 独创性声明独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下完成的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南科技大学或其它教育机构的其他 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 日 期 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校拥有 对所有学位论文的复制权、传播权、汇编权及其它使用权（特殊情况需要保密的 论文应提前说明，但在解密后应遵守此规定）。 需要保密的论文请填写本学位论文在 年 月至 年 月期 间需要保密，解密后适用本授权书。（需要保密的学位论文无须向图书馆提供论 文的电子文档） 研究生签名 导师签名 日 期 万方数据 万方数据 摘要 I 摘摘 要要 球磨机作为矿山、陶瓷行业、火力发电等行业不可或缺的磨矿设备，具有适 应环境能力强，工作稳定，易于维护等优点，但是在矿山作业中碎磨作业的能耗 占据了 6575，而实际的利用率仅有 27。球磨机作为碎磨作业的主要设 备，提高球磨机的生产效率，降低能耗，可以降低成本提高效益。 本文以离散单元法为基础，建立了球形颗粒黏结模型，该模型能够有效的模 拟物料颗粒在球磨机中的破碎效果。在深入的分析了磨介粒径、磨介填充率和磨 机转速率对球磨机中颗粒的碰撞能损以及功率消耗后，基于正交试验的思想确立 了仿真方案。将断裂键数和功率消耗作为评价指标，磨介粒径、磨介填充率和磨 机转速率作为仿真因素，确定了 9 组仿真，使用离散元软件进行仿真计算。 研究结果表明，不同的单因素对磨机的工作效率影响也不同。磨介粒径的增 加，磨介与岩石颗粒的碰撞能损反而逐渐下降，磨机功率消耗则是先降后升；磨 介填充率的增加，磨介与岩石颗粒的碰撞能损先增后降，磨机功率消耗则是呈上 升趋势；磨机转速率的增加，磨介与岩石颗粒的碰撞能损先增后降，磨机功率消 耗先增后降。 通过极差分析法得出不同因素的对评价指标的影响，对于断裂键数来说，三 个因素的主次程度依次为磨介填充率、磨介粒径和磨机转速率；对于磨机功率来 说，三个因素的主次程度依次为磨介填充率、磨机转速率和磨介粒径。通过方差 分析法得出不同因素的重要程度，磨介填充率对断裂键数有一定的影响，其余两 个因素对断裂键数的影响不显著；磨介填充率对磨机功率消耗有着显著的影响， 磨机转速率对磨机功率消耗有一定的影响，而磨介粒径对磨机功率消耗的影响不 显著。通过综合分析，得出最优参数组合，并对其进行验证，其结果符合要求。 关关 键键 词词球磨机；离散元；颗粒黏结；正交；参数优化 论文类型论文类型研究类 选题来源选题来源国家 973 计划课题（2012CB724306），自创区创新引领型产业集 群专项支持（181200211500） 万方数据 摘要 II 万方数据 ABSTRACT II I ABSTRACT Ball mills are widely used in mining operations because of their strong adaptability to the environment, stable work, simple maintenance, and easy automation control. However, due to the large energy consumption and low energy utilization rate of the ball mill, improving the working efficiency of the ball mill can reduce the cost of the ore dressing plant and increase the output. Based on the study of the motion law of the grinding medium in the ball mill, this paper makes reference to the domestic and foreign literature on mill research to carry out the optimization of the parameters of the ball mill based on discrete elements. After discussing in detail the influence of the particle size, the filling rate of the grinding medium and the mill rotation speed on the working efficiency of the mill, the particle bonding model was used to simulate the crushing process of the material particles in the mill. The test was designed using the cross test . The number of fracture bonds and the power consumption of the mill were used as uation inds. The particle size, mill filling rate, and mill speed of the mill were selected as test factors. Nine groups of test schemes were determined. The EDEM software was used to simulate the 9 test plans and process the obtained data. First, the range analysis is used to determine the primary and secondary relationship between the factors and the best combination of each factor. The variance analysis is used to analyze the importance of each test factor, and the comprehensive analysis is used to obtain the optimal working parameters. The research results show that different single factors have different effects on the working efficiency of the mill. With the increase of the particle size of the grinding medium, the collision energy loss between the grinding medium and the rock particles gradually decreases, and the power consumption of the mill decreases first and then increases; the increase of the filling rate of the grinding medium increases the collision energy loss between the grinding medium and the rock particles. The power consumption of the mill is on the rise; the increase of the mill rotation speed increases the collision energy loss between the grinding medium and the rock particles first and then decreases, and the mill power consumption increases and then decreases. The effect of different factors on the uation index is obtained through the 万方数据 ABSTRACT IV range analysis . For the number of broken bonds, the primary and secondary degrees of the three factors are the grinding medium filling rate, grinding medium particle size and mill rotation rate; In terms of power, the primary and secondary degrees of the three factors are the filling rate of the grinding medium, the rotation rate of the mill, and the particle size of the grinding medium. Through the analysis of variance, the importance of different factors is obtained. The filling factor of the grinding medium has a certain effect on the number of broken bonds. The remaining two factors have no significant effect on the number of broken bonds. Affected, the speed of the mill has a certain effect on the power consumption of the mill, but the effect of the particle size of the mill on the power consumption of the mill is not significant. Through comprehensive analysis, the optimal parameter combination is obtained and verified, and the results meet the requirements. KEY WORDS Ball mill；Discrete element；Particle bonding; Orthogonal； Parameter optimization Dissertation type Research Category Subject source National Key Basic Research And Development Plan2012CB724306, Special Support For Innovation-led Industrial Clusters In Self- Developed Areas 181200211500 万方数据 目录 V 目目 录 录 第 1 章 绪论 ................................................ 1第 1 章 绪论 ................................................ 1 1.1 研究背景及意义 ....................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................... 2 1.3 离散单元法的发展 ................................................................................................... 3 1.3.1 离散单元法的计算 ............................................................................................ 3 1.3.2 离散单元法在磨机中的应用 ............................................................................ 7 1.4 本课的研究内容 ....................................................................................................... 9 1.5 本章小结.................................................................................................................. 10 第 2 章 球磨机工作原理 ..................................... 11第 2 章 球磨机工作原理 ..................................... 11 2.1 磨机内介质运动 ..................................................................................................... 11 2.1.1 钢球的受力与运动状态 .................................................................................. 11 2.1.2 磨机的临界转速 .............................................................................................. 12 2.1.3 钢球的运动方程式及坐标计算 ...................................................................... 14 2.2 矿石的破碎机理 ..................................................................................................... 17 2.2.1 三种矿石破碎学说 .......................................................................................... 17 2.2.2 矿石的破碎机制 .............................................................................................. 19 2.3 磨机工作参数的确定 ............................................................................................. 19 2.3.1 填充率 .............................................................................................................. 19 2.3.2 临界转速 .......................................................................................................... 21 2.3.3 介质尺寸 .......................................................................................................... 21 2.4 本章小结.................................................................................................................. 22 第 3 章 物料的颗粒黏结模型 ................................. 23第 3 章 物料的颗粒黏结模型 ................................. 23 3.1 颗粒粘结模型的理论基础 ..................................................................................... 23 3.2 替换颗粒的生成 ..................................................................................................... 24 3.2.1 替换颗粒生成的一般过程 .............................................................................. 24 3.2.2 颗粒替换参数的设置 ...................................................................................... 25 3.3 球形颗粒替换的生成过程 ..................................................................................... 26 3.3.1 建立压球模型 .................................................................................................. 26 3.3.2 计算替换颗粒的数量 ...................................................................................... 27 3.3.3 压实替换颗粒 .................................................................................................. 27 3.3.4 获得替换颗粒的坐标信息 .............................................................................. 27 万方数据 目录 VI 3.3.5 编译 API 文件 .................................................................................................. 29 3.3.6 编译颗粒替换 API .......................................................................................... 30 3.3.7 仿真计算 .......................................................................................................... 30 3.4 本章小结.................................................................................................................. 32 第 4 章 单参数磨矿能耗仿真 ................................. 35第 4 章 单参数磨矿能耗仿真 ................................. 35 4.1 磨机的建模仿真 ..................................................................................................... 35 4.1.1 仿真模型建立 .................................................................................................. 35 4.1.2 仿真参数的计算 .............................................................................................. 37 4.2 实验磨机的转速仿真与实验 ................................................................................. 38 4.3 磨介粒径对碰撞能量的影响 ................................................................................. 40 4.4 磨介填充率对碰撞能量的影响 ............................................................................. 42 4.5 磨机转速对碰撞能量的影响 ................................................................................. 43 4.6 本章小结.................................................................................................................. 45 第 5 章 磨矿参数的正交仿真分析 ............................. 46第 5 章 磨矿参数的正交仿真分析 ............................. 46 5.1 磨矿参数的正交设计 ............................................................................................. 46 5.1.1 正交仿真参数设计 .......................................................................................... 46 5.1.2 基于正交试验法确定仿真方案 ...................................................................... 47 5.2 仿真过程及结果 ..................................................................................................... 48 5.2.1 仿真过程 .......................................................................................................... 48 5.2.2 仿真结果 .......................................................................................................... 50 5.3 仿真数据的极差分析 ............................................................................................. 51 5.3.1 极差分析法的原理 .......................................................................................... 51 5.3.2 仿真结果的极差分析 ...................................................................................... 52 5.4 仿真数据的方差分析 ............................................................................................. 59 5.4.1 方差分析法的原理 .......................................................................................... 59 5.4.2 仿真结果的方差分析 ...................................................................................... 60 5.5 最优方案.................................................................................................................. 66 5.5.1 综合分析确定最优方案 .................................................................................. 66 5.5.2 最优参数仿真验证 .......................................................................................... 66 5.6 本章小结.................................................................................................................. 67 第 6 章 结论与展望 ......................................... 68第 6 章 结论与展望 ......................................... 68 6.1 结论 .......................................................................................................................... 68 6.2 展望 .......................................................................................................................... 69 万方数据 目录 V II 参考文献 .................................................. 70参考文献 .................................................. 70 致 谢 .................................................... 74致 谢 .................................................... 74 攻读学位期间的研究成果 .................................... 76攻读学位期间的研究成果 .................................... 76 万方数据 目录 VIII 万方数据 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 研究背景及意义 粉磨作业广泛应用于冶金、化工水泥建筑等行业，尤其是在矿冶行业更是重 中之重 [1]。粉磨作业是矿物破碎的后续流程，是将破碎后的矿石进行进一步的 粉磨处理。 球磨机作为一种广泛用于粉体粉磨的机械设备，通过电机带动筒体进行旋 转，同时筒体内的衬板提升内部的物料以及研磨介质，从而使物料颗粒与研磨介 质相互碰撞从而达到破碎以及研磨物料的目的。在实际应用中，由于球磨机适应 环境能力强，工作稳定，维护简单，而且易于实现自动化控制，因此广泛的应用 于矿山生产作业中[2, 3]。 球磨机虽然有以上优点，但与此同时，球磨机也存在着一些缺点。例如球磨 机的功耗过大，能量利用率低，研磨介质损耗量大，衬板会受到强烈的冲击并造 成磨损断裂等问题。 在选矿厂的生产过程中，碎矿和磨矿是使矿石粒度减小的过程，承担着为后 续选别作业提供合格的入选物料的任务，使粒度能够达到要求[4]。磨矿作业的主 要设备球磨机属于高噪音、高能耗、低效率的设备，并且是选矿厂动力消耗最多 的一个作业。据统计，选矿厂碎磨作业得能耗约占选矿厂总能耗的 6575， 而实际作用于物料粉碎的电能利用率仅在 27，绝大部分的电能转变为热 量，钢耗几乎占 100，成本占选矿厂总成本得 5070[5-8]。 工业和信息化部按照工业转型升级规划（2011-2015 年）的总体部署和 要求，印发了工业节能十二五规划，该规划中明确提出加快淘汰落后产能， 大力推进工艺、装备、产品的结构调整和技术进步，“重点淘汰直径 3.0 米以下 球磨机”，重点研发并推广大型球磨机；2015 年，国务院常务会议强调“中国 制造 2025”要强化工业基础能力，提高工艺水平和产品质量，实现智能制造、 绿色制造。 因此，在生产中研究并改善磨矿作业、改进磨矿的工艺（调节磨机转速、合 理装补球制度、合适的磨介粒径以及填充率等），可以提高大型磨机的工作效 率，提高其产品质量；减少粉磨过程中的损耗，降低磨矿费用，提高了精矿质量 和金属回收率，不仅使得选矿厂的效益提升，而且符合我国对节能环保的要求， 对于降低选矿总成本及提高选矿厂的生产效率有很重要的意义[9]。 万方数据 河南科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 国内外研究现状 自 20 世纪 20 年代以来，国外学者已经对磨机的磨矿理论展开了系统的研究 研究，其中戴维斯等学者提出了经典的磨矿理论。然而，在该理论中，未能对摩 擦力、研磨介质的特性以及衬板形状等进行研究。 针对戴维斯提出的理论的不足，21 世纪国内外众多学者对磨机中磨介的运 动规律、磨机的工作参数以及磨机的功率界定等做了大量研究工作，并且取得了 许多研究成果。 国外学者在这方面研究较早，P A Khakhalev 等[10]对不同类型的衬板对磨机 的工作的影响进行了分析研究。通过模拟波浪形衬板、双波浪形衬板、梯形衬板 以及台阶型衬板在不同转速率下颗粒的运动状态，探索了磨介的特性并评估研磨 过程中的能源效率。Rasoul Panjipour 等[11]对不同磨介粒径以及填充率对实验磨 机的功率、装料运动状态和破碎机理的影响。Daniel Francioli[12]采用实验室磨机 对物料进行批量研磨，将得到的数据与离散单元法的计算模拟相结合，对 COPPE/UFRJgo 公司和 Tecnologia Mineral 实验室开发的力学模型可以进行验证 和校准。结果表明，改变磨机的参数将直接影响最终产品的粒度和平均磨机功 耗，对于中等的填充率以及较大的磨介，可以验证工艺效率的提高。Paul W.Clear 等[13-16]针对磨机进行了三方面的研究，一是针对 DEM 在颗粒破碎的应 用性难题，提出了一种基于 DEM 的增量损伤破碎的颗粒破碎方法，并通过试验 以及仿真进行对比研究。二是不同颗粒形状对磨机工作的影响。三是对半自磨机 的工作参数进行了讨论分析，针对半自磨机在碰撞环境中的定量结构变化，该变 化通过使用 DEM 预测的能谱进行测量。通过仿真结果可知，提高磨机的速度几 乎不会影响不同类型的碰撞之间的碰撞能量分布，而改变其余的三个条件提升条 的高度、增加
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