资源描述：
博士学位论文 球磨机铁矿石颗粒破碎及粒度分布 行为研究 Study on Breakage and Size Distribution Behaviour of Iron Ore Particle in Ball Mills 作 者尹自信 导 师彭玉兴 教授 中国矿业大学 二〇二〇年六月 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 中图分类号 TD453 学校代码 10290 UDC 621 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 球磨机铁矿石颗粒破碎及粒度分布行为研究 Study on Breakage and Size Distribution Behaviour of Iron Ore Particle in Ball Mills 作 者 尹自信 导 师 彭玉兴 申请学位 工学博士学位 培养单位 机电工程学院 学科专业 机械设计及理论 研究方向 颗粒破碎 答辩委员会主席 蒋书运 评 阅 人 二○二〇年六月 致谢 致谢 指尖太胖，时间太瘦，白驹过隙间，六年的矿大求学生涯接近尾声。细细回 想，那些过往如电影放映一般，一幕幕涌入脑海。一路走来，朝暮勤勉，自奋扬 鞭，有艰辛，有欢乐，感恩遇到的所有善良，也感恩所有的挫折和成长，这将使 我终生受益。 在矿大求学的这六年里， 我衷心的感谢导师彭玉兴教授对我科研上的悉心指 导以及生活上的无私帮助。导师严谨的教学态度、渊博的知识、敬业的精神、乐 观的生活态度以及对科研工作敏锐的思考能力是我毕生学习的典范。师者，传道 受业解惑。 感谢恩师在科研上给予我支持和指导， 在生活上给予我很多人生建议。 在此，对恩师的悉心指导致以最崇高的敬意和最衷心的感谢。 特别感谢江苏海洋大学李同清老师在我做实验和论文写作过程中给予的支 持和帮助，以及学习上的勉励，其平易近人的人格魅力就像一颗大树，告诉我， 并激励我要乐观、坚定。 感谢吴桂义硕士和张学城硕士在我收集资料、 撰写论文期间给予的支持和帮 助，是你们的帮助和分享让我不断地前进。 感谢课题组徐春明博士、张庆博士、王方方硕士、张伟硕士等师弟师妹们在 学习和生活中给予的帮助和关心，在这里我非常有归属感，大家在一起学习、锻 炼、鼓励，是你们的陪伴，给予我一个温馨快乐的集体，祝福你们科研之路顺顺 利利，早日完成学业。 感谢博士班级全体同学，在这里有很多值得信赖的同伴，不同研究方向的同 学一起上课、 交流、 参加集体活动， 就像发现了一个新世界， 我为你们感到骄傲， 也非常荣幸的能够成为其中一员， 衷心的祝福大家常开心， 常喜悦， 有趣， 有盼， 无灾，无难。 感谢女朋友一如既往的关爱、理解与支持，携手并肩，一起面对人生的风雨 阳光。 感谢爷爷奶奶，是你们的期盼和祝福，督促着我努力奋斗，永远向前。 感谢我的父母，是你们的勤劳努力和辛苦操劳，为我提供一个无忧无虑的成 长学习环境，激励着我不断进步，在我最困难的时候给予我勇气和力量，养育之 之恩，无以为报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 最后，再次深深地祝福求学过程中帮助我成长的各位老师、亲人、朋友、同 学身体健康、万事胜意。 尹自信 2020 年 04 月于徐州 I 摘 要 摘 要 球磨机是依靠衬板提升磨矿介质至一定位能来完成矿物颗粒的冲击和研磨 破碎，以满足选矿厂不同破碎粒度分布的需要。作为磨矿作业不可或缺的设备， 被广泛应用于水泥、 化工、 冶金、 陶瓷等行业， 也是上述行业耗电量最大的设备。 然而，关于球磨机介质运动状态的研究相对单一，缺少有效建立球磨机离散元模 型的方法，人们还未充分掌握球磨机颗粒破碎机理。本文在国家自然科学基金面 上项目“大型球磨机多体冲击摩擦耦合行为研究”的资助下，采用试验与离散元 数值模拟相结合的方法对介质运动状态以及颗粒破碎等关键问题开展研究， 主要 研究内容包括铁矿石颗粒离散元模型接触参数的测定与分析、球磨机磨矿介质 运动规律研究、球磨机介质群冲击离散动力学行为研究、铁矿石颗粒落球冲击破 碎行为研究、铁矿石颗粒破碎及粒度分布优化磨矿试验研究。旨在探究球磨机介 质运动状态的变化规律，解析球磨机铁矿石颗粒破碎及粒度分布机理，提高磨矿 效率、降低能耗。 首先， 针对人们对铁矿石颗粒物理力学特性缺少足够的认知以及缺少精确标 定离散元模型接触参数的方法，测定铁矿石颗粒的基本性质，探究不同粒级铁矿 石颗粒的单粒强度，解析铁矿石颗粒形状特征参数的变化规律，构建铁矿石颗粒 离散元几何模型，标定离散元数值模拟所需的铁矿石颗粒接触参数，为球磨机离 散元数值模拟提供重要参数。 其次，基于经典磨矿理论，构建不同层磨矿介质运动特征方程，解析不同层 磨矿介质运动关键参数的变化规律；设计磨矿介质运动参数测量装置，用于探究 球磨机筒体内磨矿介质角速度、加速度的变化规律，并基于试验测量的检测球数 据和功率验证球磨机离散元模型的正确性， 为球磨机介质群冲击离散动力学行为 研究提供精确的离散元模型。 然后，基于 Φ520 mm260 mm 球磨机离散元模型，开展不同转速率和填充 率工况下球磨机介质群冲击离散动力学试验， 解析球磨机介质群运动特征参数的 变化规律，构建关联球磨机转速率、介质群质量、介质群质量中心位置的球磨机 功率预测模型；采用网格划分方法，探究介质群碰撞能量区域分布、碰撞次数区 域分布、介质群碰撞能量谱的变化规律，为球磨机节能降耗设计提供理论依据。 接着，基于设计的落球冲击试验装置，开展单颗粒落球冲击破碎试验和多层 颗粒落球冲击破碎试验，构建铁矿石颗粒破碎概率模型和破碎程度模型，解析铁 矿石颗粒层数、铁矿石颗粒尺寸、钢球落球高度、钢球连续冲击次数对铁矿石颗 粒冲击破碎的影响，揭示球磨机颗粒破碎机理。 最后，基于颗粒破碎模型，开展不同转速率和填充率工况下铁矿石颗粒磨矿 试验，探究铁矿石颗粒破碎粒度分布的变化规律，解析转速率和填充率对铁矿石 II 颗粒磨矿动力学参数、选择函数、破碎函数的影响，建立产品粒度分布控制优化 评价指标， 为降低铁矿石颗粒磨矿能耗、 提高球磨机磨矿效率提供基础数据支撑。 关键词关键词球磨机；磨矿介质；铁矿石颗粒；颗粒破碎；粒度分布 III Abstract The ball mill depends on the liner to lift grinding media to impact and grind mineral particles for meeting the needs of different particle size distribution in mineral plant. As indispensable grinding equipment, it is widely used in cement, chemical, metallurgical, ceramic industries with the highest energy consumption. However, the research on charge load behaviour is relatively simple and lacking the of establishing the discrete element model of ball mill. Moreover, the particle breakage mechanism of ball mill has not been fully understood. This dissertation was financially supported by National Natural Science Foundation of China General Program, Multi-body impact-tribology coupling behaviour of large-scale ball mill. The key problems of charge load and particle breakage behaviour were studied by combining experiment and DEM numerical simulation. The main contents of this study includes Determination and analysis of contact parameters in the discrete element model of iron ore particles. Study on motion of grinding media in ball mills. Study on discrete dynamics of charge group in ball mills. Study on impact breakage behaviour of iron ore particles by dropping ball. Experimental studies of iron ore particle breakage and size distribution optimization. The purpose of this dissertation is to explore the changing law of charge motion and analyze the mechanism of breakage and size distribution of iron ore particle in ball mills, which will be beneficial to improve milling efficiency and reduce energy consumption. Firstly, aiming at the lack of sufficient understanding of the physical and mechanical properties of iron ore particles and the lack of s to calibrate the contact parameters of discrete element model, the basic properties of iron ore particles were determined, the strength of single iron ore particles was explored, the variation of shape characteristic parameters of iron ore particles was analyzed, the geometric model of iron ore particles was constructed, and the contact parameters of iron ore particles needed for DEM numerical simulation were calibrated. It provides key parameters for the subsequent DEM numerical simulation of ball mill. Secondly, based on the classical milling theory, the motion characteristic equations of different layers of grinding media were constructed. An instrumented ball measuring device was designed to explore the angular velocity and acceleration of grinding media in ball mill. Additionally, the correctness of model established by DEM numerical simulation was verified through the instrumented ball data and the ball mill power. It provides an accurate model for the further study of the impact IV discrete dynamics of charge group in ball mill. Next, based on Φ520 mm260 mm ball mill, the impact discrete dynamics numerical simulation of ball mill under different mill speed and filling level was carried out to analyze the variation of characteristic parameters of charge group. A prediction model of ball mill power based on mill speed, mass of charge group and centre of mass was established. The EDEM meshing was used to explore the distribution of energy and frequency of collisions in charge groups. It provides a theoretical basis for the design of energy-saving and cost-reducing of ball mill. Then, based on the dropping ball impact test rig, the single-particle dropping ball and the multi-layer particle dropping ball impact breakage experiment were carried out to analyze the effect of the layer of iron ore particles, the size of iron ore particles, the dropping height of steel ball and the continuous impact number of steel ball on the impact breakage behaviour of iron ore particle. The breakage probability model and the breakage size distribution model of iron ore particles were constructed to reveal the mechanism of particle breakage in ball mill. Finally, based on the particle breakage model, the grinding experiment of iron ore particle under different mill speed and filling level was carried out to explore the characteristics of iron ore particle breakage size distribution. Analyzing the effect of mill speed and filling level on the kinetic parameters, selection function and breakage function of iron ore particle, and establishing the uation index of product size distribution. It provides a basic data support to reduce the energy consumption of iron ore particles and improve the grinding efficiency. Keywords ball mill; grinding media; iron ore particle; particle breakage; size distribution V 目 录 目 录 摘要摘要 ............................................................................................................................... I 目录目录 .............................................................................................................................. V 图清单图清单 ........................................................................................................................ IX 表清单表清单 .................................................................................................................. XVIII 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................... XX 1 绪论1 绪论 ........................................................................................................................... 1 1 1.1 课题来源................................................................................................................ 1 1.2 研究背景及意义.................................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状.................................................................................................... 2 1.4 存在的问题与不足.............................................................................................. 10 1.5 研究内容.............................................................................................................. 10 1.6 研究目标.............................................................................................................. 11 1.7 本章小结.............................................................................................................. 11 2 铁矿石颗粒离散元模型接触参数的测定与分析2 铁矿石颗粒离散元模型接触参数的测定与分析 ................................................. 1212 2.1 前言...................................................................................................................... 12 2.2 铁矿石基本性质.................................................................................................. 12 2.3 铁矿石颗粒单粒强度试验.................................................................................. 16 2.4 铁矿石颗粒数值建模.......................................................................................... 22 2.5 铁矿石颗粒离散元模型接触参数标定.............................................................. 29 2.6 本章小结.............................................................................................................. 44 3 球磨机磨矿介质运动规律研究3 球磨机磨矿介质运动规律研究 ............................................................................. 4646 3.1 前言...................................................................................................................... 46 3.2 球磨机磨矿介质运动理论.................................................................................. 46 3.3 球磨机磨矿介质运动特征参数理论分析.......................................................... 51 3.4 球磨机磨矿介质运动试验分析.......................................................................... 55 3.5 本章小结.............................................................................................................. 64 4 球磨机介质群冲击离散动力学行为研究4 球磨机介质群冲击离散动力学行为研究 ............................................................. 6666 4.1 前言...................................................................................................................... 66 4.2 球磨机离散元数值模拟试验.............................................................................. 66 4.3 介质群运动特征参数的变化规律...................................................................... 69 4.4 球磨机功率的变化规律...................................................................................... 80 VI 4.5 介质群碰撞能量的变化规律.............................................................................. 83 4.6 本章小结.............................................................................................................. 93 5 铁矿石颗粒落球冲击破碎行为研究5 铁矿石颗粒落球冲击破碎行为研究 ..................................................................... 9595 5.1 前言...................................................................................................................... 95 5.2 铁矿石颗粒落球冲击破碎试验.......................................................................... 95 5.3 单颗粒破碎行为研究........................................................................................ 100 5.4 多层颗粒破碎行为研究.................................................................................... 110 5.5 本章小结............................................................................................................ 115 6 铁矿石颗粒破碎及粒度分布优化磨矿试验研究6 铁矿石颗粒破碎及粒度分布优化磨矿试验研究 ............................................... 116116 6.1 前言.................................................................................................................... 116 6.2 不同转速率和填充率磨矿试验........................................................................ 116 6.3 颗粒破碎模型.................................................................................................... 119 6.4 铁矿石颗粒破碎特性研究................................................................................ 126 6.5 铁矿石颗粒破碎粒度分布优化研究................................................................ 141 6.6 本章小结............................................................................................................ 144 7 结论与展望7 结论与展望 ........................................................................................................... 146146 7.1 主要结论............................................................................................................ 146 7.2 创新点................................................................................................................ 148 7.3 展望.................................................................................................................... 148 参考文献参考文献 ................................................................................................................... 150150 作者简历作者简历 ................................................................................................................... 161161 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................... 162162 学位论文数据集学位论文数据集 ....................................................................................................... 163163 VII Contents Abstract ...................................................................................................................... III Contents .................................................................................................................... VII List of Figures ............................................................................................................ IX List of Tables ........................................................................................................ XVIII List of Variables........................................................................................................ XX 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Subject Source ......................................................................................................... 1 1.2 Research Background and Significance .................................................................
展开阅读全文
