基于离散元磨损模拟的半自磨机提升器结构优化.pdf

第 48 卷 2020 年第 11 期 破 磨 编辑 翟晓华 37 作者简介孟庆霞，女，1988 年生，硕士，工程师，主要从事 矿山机械设备设计与研究工作。 磨 损问题在能源、化工、冶金及建筑等工业中 极为常见，比如各类粉磨机械 包括自磨/半自 磨机、球磨机和塔式磨机等 均须面对严峻的磨损问 题，由此造成设备运行效率降低，维护耗时增加，从 而大大增加了矿物处理成本。以半自磨机为例，衬板 的磨损会显著影响物料的运动状态，进而降低粉磨效 率；频繁更换衬板则会导致整个系统停车，造成巨大 的经济损失。随着计算机技术的迅速发展，当前广泛 使用数值计算方法来进行破碎机械的设计制造，以降 低其使用和维护成本[1]。 目前，国内外使用离散元方法对磨机等设备中的 物料运动情况及磨损情况进行了很多分析杜强[2]用 离散元法计算了衬板表面的颗粒运动，从运动分析及 衬板制造工艺角度着手，综合分析了衬板磨损原因， 并对提高衬板使用寿命提出了相应的对策；田秋娟[3] 应用离散元软件 EDEM 对球磨机衬板进行分析，得 出比功率、衬板磨损和颗粒破碎概率等是球磨机衬板 设计时应主要考虑的因素。 笔者通过建立半自磨机矿浆提升器的磨损模型， 对其快速磨损区域的磨损原因进行分析，从而对其结 构进行优化。 基于离散元磨损模拟的半自磨机 提升器结构优化 孟庆霞，潘 庆 江西耐普矿机股份有限公司 江西上饶 334000 摘要由于常用的直形矿浆提升器磨损不均匀，其中和内圈矿浆提升器肋板相连的外圈提升器磨损最 严重，导致提升器因局部失效而整体报废。为了提高矿浆提升器的使用寿命，采用 Rocky DEM 软件 对提升器中的矿物分布情况及其磨损情况进行分析，并对其结构进行优化。优化后的效果十分明显， 外圈矿浆提升器在现场已经使用了 2 年多，磨损量很小，从模拟分析结果来看，优化后的寿命可达到 优化前的 8 10 倍，由此证明采用的离散元模拟分析方法是可靠的。 关键词半自磨机；矿浆提升器；磨损；结构优化；离散元 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202011-0037-04 Structural optimization on lifter of semi-autogenous grinding mill based on discrete element wear simulation MENG Qingxia, PAN Qing Jiangxi Naipu Mining Machinery Co., Ltd., Shangrao 334000, Jiangxi, China AbstractDue to uneven wear of the commonly used straight slurry lifter, the outer lifter connected with the reinforcement rib of the inner slurry lifer suffers the most serious wear, which leads to the whole invalidation of the lifter due to local failure. In order to improve the service life of the slurry lifter, Rocky DEM was applied to analyze the mineral distribution in the lifter and the wear of the lifter, as well as optimize its structure. Application effects of the optimized lifter improved remarkably, the outer slurry lifter had been used in field for more than 2 years, and its wear amount was very small. The simulation and analysis results showed the service life of the optimized lifter reached 8 10 times of that before optimization. It could be seen that the applied discrete element simulation and analysis was reliable. Key Wordssemi-autogenous grinding mill; slurry lifter; wear; structural optimization; discrete element 万方数据 第 48 卷 2020 年第 11 期 编辑 翟晓华 破磨 38 1 常用矿浆提升器物料分布及磨损 分析 矿浆提升器是半自磨机的重要部件之一，其主要 任务是将进入其内部的矿浆排出至出料口。目前大部 分半自磨机出料端是直形辐射状结构。某 φ10.37 m 半 自磨机矿浆提升器如图 1 所示，其磨损情况如图 2 所 示。可以看出提升器只有底部一侧被磨穿，其余部位 余量还很多，造成了极大的浪费。 离散元法在近几年得到了快速的发展及应用， 在选矿设备中的应用也逐渐增多，如用来模拟磨机 内颗粒的运动规律等。为了找到导致直形矿浆提升 器局部剧烈磨损的原因，笔者首先利用 Rocky DEM 软件对该半自磨机直形矿浆提升器内的物料分布进 行模拟，磨机工况参数如表 1 所列。为了节省计算 时间，模拟中使用可以通过格子板/排砾板的 φ65、 φ45、φ40 mm 的球形颗粒进行计算，颗粒的生成速 度按半自磨机台效 960 t/h 来生成，未考虑矿浆的影 响。提升器及颗粒的物性参数如表 2 所列，接触参数 如表 3 所列[4]。 采用周期性的颗粒工厂，在矿浆提升器转动过程 中生成颗粒，磨机转速为 10.01 r/min，20 s 时颗粒分 布如图 3 所示。计算区域内的颗粒数量如图 4 所示。 从图 4 可以看出计算区域内颗粒数量的变化情 况，在矿浆提升器转动的 3 圈内，提升格内的颗粒不 断积累，且相邻 4 个提升格内的颗粒数量相差比较 大，其中沿最长的肋板返回到提升格内的物料最多， 这是由于携带现象造成的。所谓携带现象是由于矿浆 提升器没有足够的能力在一个排料周期内将其中的顽 石和矿浆全部排出而引起的。携带现象导致矿浆提升 器磨损急剧加快，特别是底部的冲击磨损，增加了磨 机内载荷，阻碍了物料通过格子板进入矿浆提升器。 图 1 直形矿浆提升器 Fig. 1 Straight slurry lifter 图 2 直形矿浆提升器使用 2 年后的磨损情况 Fig. 2 Wear state of straight slurry lifter after service for two years 表 3 接触参数 Tab. 3 Contact parameters 颗粒-颗粒 颗粒-提升器 静摩擦因数 0.40 0.30 动摩擦因数 0.20 0.15 恢复系数 0.35 0.35 图 3 直形矿浆提升器内的物料分布 Fig. 3 Material distribution in straight slurry lifter 表 2 提升器及颗粒的物性参数 Tab. 2 Physical parameters of lifter and particles 提升器 颗粒 密度/g cm-3 7 850 2 700 弹性模量/Pa 2.1E 11 7.8E 08 泊松比 0.3 0.25 表 1 半自磨机工况参数 Tab. 1 Operating parameters of semi-autogenous grinding mill 半自磨机规格 矿石性质 铁矿、铜矿 邦德功指数/kW h-1t-1 矿石密度/kgm-3 磨机转速/rmin-1 给料粒度/mm 产品粒度/mm 磨矿介质 钢球 尺寸/mm 磨矿介质 钢球 充填率/ 总充填率/ φ10.37 m5.19 m 斑岩矿石 10 12 2.7 10.01 250 10 φ125 8 12 20 万方数据 第 48 卷 2020 年第 11 期 破 磨 编辑 翟晓华 39 携带现象至少有以下 2 个缺点 1 降低了磨机排料系统的效率，这是因为有些 顽石或是矿浆仍滞留在矿浆提升器中并再次返回到矿 浆提升器的底部，限制了矿浆提升器在下一个周期的 排料能力。 2 正是因为携带现象的存在，使物料沿着矿浆 提升器的侧壁回滑到其底部，因此加速了矿浆提升器 的磨损，同时由于出料端内圈与外圈提升器的等分 不同，导致提升格的磨损不均匀，磨损分析如图 5 所 示。其中与内圈提升器肋板相连的外圈提升器 4 号 磨损最为严重，即如果内圈提升器是 n 等分，就有 1/n 个外圈提升器磨损是最严重的，其次是 3 号，1 号和 2 号磨损相当。现场磨损情况与模拟情况基本一致。 图 2 即为 4 号位置的磨损情况，1、2、3 号位置的矿 浆提升器没有磨穿的现象。 2 矿浆提升器结构优化设计 针对直形矿浆提升器的上述缺点，对其进行结构 优化，为使出料端排料更通畅，采用弧形或是折线形 的矿浆提升器。针对该半自磨机，设计弧形矿浆提升 器，如图 6 所示。 采用与直形矿浆提升器相同的参数，弧形矿浆提 升器内的物料分布模拟如图 7 所示。由图 7 可见，进 入矿浆提升器内的物料基本被排出，没有再返回到提 升格内，即弧形结构基本消除了携带现象。现场的弧 形矿浆提升器底端未见冲击磨损也证实了这一点。提 升器在转动过程中，物料在生成的同时不断被排出， 弧形提升器每一圈物料都排出到提升器外；而直形提 升器因为携带现象，每一圈提升器内的物料无法排 完，返回到提升器中造成物料的积累，故 3 圈后直形 提升格中的物料质量和平均数与弧形提升格中的质量 和平均数差别巨大。 在矿浆提升器转动第 3 圈时，直形与弧形矿浆提 升器内物料质量对比如表 4 所列。从表 4 可以看出 直形矿浆提升器相邻 4 个提升格内物料的质量极其不 均匀，物料最多的比最少的多 50；而弧形矿浆提升 器相邻 4 个提升格内物料的质量基本相同，且都比直 形矿浆提升器内的质量少，这就必然会减少对提升格 的磨损，使其寿命更长。 图 6 弧形矿浆提升器 Fig. 6 Arched slurry lifter 图 7 弧形矿浆提升器内的物料分布 Fig. 7 Material distribution in arched slurry lifter 提升器类型 提升格位置 提升格内物料质量/kg 提升器类型 提升格位置 提升格内物料质量/kg 1 58.6 1 50.4 2 58.1 2 51.5 3 61.6 3 51.8 4 87.1 4 51.0 直形 弧形 表 4 直形与弧形矿浆提升器内物料质量对比 Tab. 4 Comparison of straight and arched slurry lifter in inside material mass 图 5 直形矿浆提升器相邻 4 个提升格磨损分析 Fig. 5 Wear analysis on four lifting grids adjacent straight slurry lifter 图 4 计算区域内的物料数量 Fig. 4 Amount of materials in calculation area 万方数据 第 48 卷 2020 年第 11 期 编辑 翟晓华 破磨 40 弧形矿浆提升器磨损模拟分析如图 8 所示。 “Mean Shear Power”表示磨损的程度，弧形提升器 的最大磨损量是直形提升器的 9.1，且各个矿浆提 升器之间磨损比较均匀，比直形矿浆提升器磨损要小 得多。 弧形矿浆提升器在该半自磨机上应用至今已有 2 a 时间，磨损情况如图 9 所示，提升器表面磨损厚度 小于 5 mm，底部未见明显的冲击磨损，与模拟中的 磨损位置一致，相较于原来 2 a 的寿命，预计寿命可 提高 8 10 倍。 3 结论 通过对矿浆提升器结构的优化设计，基本消除 了携带现象，减少了矿浆提升器内的物料数量，而且 使每个提升格内的物料分布更加均匀，使得矿浆提升 器的使用寿命得以提高，节约了成本，提高了经济效 益。 1 由于携带现象导致直形矿浆提升器磨损不均 匀，其中 4 号外圈矿浆提升器磨损最为严重，且提升 器底部有严重的冲击磨损。 图 8 弧形提升器相邻 4 个提升格磨损分析 Fig. 8 Wear analysis on four lifting grids adjacent four arched slurry lifter 图 9 弧形矿浆提升器的磨损情况 Fig. 9 Wear state of arched slurry lifter 2 通过将提升器直形结构改成弧形后，基本消 除了携带现象，矿浆提升器的磨损变得均匀。模拟中 弧形提升器的最大磨损量是直形提升器的 9.1，考 虑到腐蚀等因素的影响，弧形矿浆提升器的寿命预计 为直形矿浆提升器的 810 倍。现场弧形矿浆提升器 已使用了 2 a，其磨损非常轻微。 3 直形矿浆提升器、弧形矿浆提升器实际磨损 位置与模拟结果一致，故笔者所使用的磨损模拟方法 可以定性判断各个位置的磨损程度，从而指导磨机衬 板的结构设计、复合衬板的排布等。是否可以定量评 估磨损，还需要与实际使用情况进行对比。 参 考 文 献 [1] 许 磊，罗 坤，赵永志，等．物料粒径对半自磨机衬板磨 损的影响 [J]．浙江大学学报 工学版，2019，53122255- 2263. [2] 杜 强．基于离散元的大型半自磨机筒体衬板磨损分析 [J]． 矿山机械，2015，43162-66. [3] 田秋娟．基于离散元方法的大型球磨机工作性能研究 [D]．长 春吉林大学，201141-52. [4] 于浩凯，王 晓，李济顺，等．磨介粒径与球磨机磨矿效率 关系研究 [J]．矿山机械，2020，48332-37. □ 收稿日期2020-07-28 万方数据