CN116796492A - 一种确定球磨机衬板形状及参数的方法 - Google Patents

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肖庆飞
李云啸
周强
刘向阳
王肖江
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Abstract

本发明涉及一种确定球磨机衬板形状及参数的方法,属于选矿中的磨矿技术领域。本发明以现场球磨机工况,包括给矿力学性质、球磨机钢球级配、磨机操作参数及衬板参数为基础,利用EDEM离散元数值模拟分别对衬板的形状及参数进行优化,以确定球磨机衬板的形状及参数。通过本方法优化后,球磨机衬板与现场工况协同性更好,球磨机内钢球运动状态与能量匹配更加合理,可提高球磨机内钢球对矿石的碰撞能量利用率,降低球磨机内钢球冲击衬板、钢球冲击钢球的能量消耗,延长衬板使用寿命,降低磨矿钢球单耗,可有效实现球磨机节能降耗。

Description

一种确定球磨机衬板形状及参数的方法
技术领域
本发明涉及一种确定球磨机衬板形状及参数的方法,属于选矿中的磨矿领域。
背景技术
磨矿是选矿厂中一个极为重要的作业,磨矿产品质量的好坏直接影响选别指标的高低,磨矿作业的基建投资、生产费用、电能的消耗和钢材消耗所占的比例最大。磨矿过程伴随着大量的电耗与钢耗,电耗约占50%~65%,磨矿过程仅有0.5%~1.0%的能量用于破碎矿石,极低的能量利用率造成了巨大的能源浪费;钢耗包括衬板损耗与钢球损耗,钢耗约占50%以上。近十年,全国“节能降耗”工作进入实质性阶段,国家十分重视节能降耗技术的研究,随着国内矿产资源逐渐衰竭,难处理矿石日渐增多,磨矿节能降耗(节约电能、降低钢耗)成为矿山企业亟待解决的问题。
目前,选矿工作者通过研发新型耐磨材料和衬板改形优化延长衬板使用寿命,前者研发难度大,成本高,而后者大多依靠经验,缺乏科学的理论指导。在球磨过程中,衬板在保护球磨机筒体的同时提升介质(钢球)和矿石,衬板的参数决定着钢球的运动状态。球磨机破碎是衬板将钢球提升至一定高度后落下,依靠钢球携带的能量冲击矿石使其发生碎散分离的过程。破碎是否发生取决于钢球所携带能量的大小,在现场球磨机生产工况下,钢球携带能量的大小与衬板提升能力和钢球尺寸有关。衬板提升能力较弱时,钢球所携带能量小于矿石破碎所需能量时,破碎不会发生,磨机内能力利用率很低;衬板提升能力较强时,钢球所携带能量远大于矿石破碎所需能量,会产生贯穿性破碎,钢球在水平方向的位移增加,导致“空砸”衬板,减少衬板使用寿命;衬板提升能力适中时,钢球携带的能量与矿石破碎所需能量匹配时,破碎效果最好,此时球磨机能量利用率最高,磨机内有用能量占比较低,衬板的使用寿命也会延长。
发明内容
本发明的目的是以现场球磨机给矿粒度组成、给矿力学性质、球磨机钢球级配、磨机操作参数及衬板参数为基础,利用EDEM离散元数值模拟,为确定球磨机衬板形状及参数提供一种可行的方法。
本发明的技术方案是:以现场球磨机衬板为依据,设计球磨机衬板形状优化方案,经EDEM离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳形状,再以此形状为基础,设计球磨机衬板提升条高度优化方案,经EDEM离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳提升条高度,具体包括以下步骤:
Step1前期准备
调研现场球磨机工况,包括给矿力学性质、球磨机钢球级配、磨机操作参数及衬板参数,为设计衬板及数值模拟做准备;
Step2离散元数值模拟参数标定
对离散元模拟参数所需数值进行标定,包括磨矿钢球之间、矿石颗粒之间、磨矿钢球与矿石之间、磨矿钢球与衬板之间、矿石与衬板之间的相关参数;
Step3设计球磨机衬板形状优化方案并建立模型
以现场使用衬板的参数为依据,设计衬板形状优化方案,衬板形状包括波形衬板、提升筋衬板。筋波衬板以及波形衬板与提升筋衬板相组合,使用SolidWorks建立球磨机衬板优化模型;
Step4通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳形状
将Step3建立的球磨机衬板形状优化模型导入EDEM进行离散元数值模拟,导出球磨机模型内各种类型能量的损失值,包括钢球对钢球、钢球对矿石、钢球对衬板、矿石对衬板和矿石对矿石的总能量损失,分析并得出球磨机衬板最佳形状;
Step5设计球磨机衬板提升条高度优化方案并建立模型
以Step4确定的球磨机衬板形状为基础,设计衬板提升条高度优化方案,建立衬板提升条高度优化模型;
Step6通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳提升条高度
将Step5建立的球磨机衬板提升条高度优化模型导入EDEM进行离散元数值模拟,导出球磨机模型内各种类型能量的损失值,包括钢球对钢球、钢球对矿石、钢球对衬板、矿石对衬板和矿石对矿石的总能量损失,分析并得出球磨机衬板提升条最佳高度。
在上述步骤中进行数值模拟时,需尽量接近现场球磨机工况。其中衬板参数不仅限于提升条高度,可根据需要拓展为提升条面角、提升条宽度和提升条组数等。
本发明的工作原理是:
衬板参数优化可采用EDEM离散元数值模拟。离散元法(Distinct ElementMethod,DEM)是一种处理非连续介质数值模拟问题的方法,其理论基础是不同本构关系(应力-应变关系)的牛顿第二定律。离散元法将求解空间离散为离散单元阵,每个单元之间是可分离的、不连续的,即一个单元可以与其相邻的单元分开或接触,单元之间的相对位移是一个基本变量,单元之间法向、切向的作用力根据力和相对位移的关系而求解;部分单元的运动状态则通过该单元的受力情况通过牛顿第二运动定律计算得出。具体办法是,先对单元所受到的其它单元对其的作用力和其它物理场对其的作用力求合力和合力矩;再根据牛顿运动第二定律求出该单元的运动加速度;然后对加速度进行时间积分,算出该单元的位移与速度,从而可以得出该单元在任意时刻的速度、角速度、加速度、线位移和转角等物理量,最终可以获取试验过程中不便确定碰撞能量、球磨机功率和能量利用率等信息。EDEM应用于本发明时,相邻两单元之间采用Hertz-Mindlin(no slip)接触模型进行连接,Hertz-Mindlin接触模型能满足接触刚度随接触位移与接触力变化的非线性函数接触条件,能够模拟颗粒之间的冲击行为,这些特点使该接触模型在无粘性散体颗粒的模拟试验中更加合理。
衬板形状与提升条高度是球磨机衬板关键的两个参数,二者决定着钢球在球磨机内的运动状态及能量分布,因此,衬板优化方案主要围绕衬板形状及提升条高度进行对比研究,首先确定球磨机衬板形状,在形状的基础上进行提升条高度优化。得出球磨机衬板的最佳形状与提升条高度。
本发明的有益效果是:本发明克服了传统球磨机衬板设计依靠经验,没有科学的理论指导和球磨机衬板与现场球磨机工况,包括给矿力学性质、球磨机钢球级配、磨机操作参数等因素协同性不好的缺陷,通过本方法优化后,球磨机衬板与现场工况协同性更好,球磨机内钢球运动状态与能量匹配更加合理,可提高球磨机内钢球对矿石的碰撞能量利用率,降低球磨机内钢球冲击衬板、钢球冲击钢球的能量消耗,延长衬板使用寿命,降低磨矿钢球单耗,可有效实现球磨机节能降耗。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对比本发明进行进一步的说明。
本发明以现场球磨机衬板为依据,设计球磨机衬板形状优化方案,经EDEM离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳形状,再以此形状为基础,设计球磨机衬板提升条高度优化方案,经EDEM离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳提升条高度。具体如图1所示,包括以下步骤:
Step1前期准备
调研现场球磨机工况,包括给矿力学性质、球磨机钢球级配、磨机操作参数及衬板参数,为设计衬板及数值模拟做准备;
Step2离散元数值模拟参数标定
对离散元模拟参数所需数值进行标定,包括磨矿钢球之间、矿石颗粒之间、磨矿钢球与矿石之间、磨矿钢球与衬板之间、矿石与衬板之间的相关参数;
Step3设计球磨机衬板形状优化方案并建立模型
以现场使用衬板的参数为依据,设计衬板形状优化方案,衬板形状包括波形衬板、提升筋衬板。筋波衬板以及波形衬板与提升筋衬板相组合,使用SolidWorks建立球磨机衬板优化模型;
Step4通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳形状
将Step3建立的球磨机衬板形状优化模型导入EDEM进行离散元数值模拟,导出球磨机模型内各种类型能量的损失值,包括钢球对钢球、钢球对矿石、钢球对衬板、矿石对衬板和矿石对矿石的总能量损失,分析并得出球磨机衬板最佳形状;
Step5设计球磨机衬板提升条高度优化方案并建立模型
以Step4确定的球磨机衬板形状为基础,设计衬板提升条高度优化方案,建立衬板提升条高度优化模型;
Step6通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳提升条高度
将Step5建立的球磨机衬板提升条高度优化模型导入EDEM进行离散元数值模拟,导出球磨机模型内各种类型能量的损失值,包括钢球对钢球、钢球对矿石、钢球对衬板、矿石对衬板和矿石对矿石的总能量损失,分析并得出球磨机衬板提升条最佳高度。
在上述步骤中进行数值模拟时,需尽量接近现场球磨机工况。其中衬板参数不仅限于提升条高度,可根据需要拓展为提升条面角、提升条宽度和提升条组数等。
实施例1:本实施例以云南大红山铜矿进行说明。
(1)前期准备
调研现场球磨机工况,包括给矿力学性质、球磨机钢球级配、磨机操作参数及衬板参数,为设计衬板及数值模拟做准备,具体参数如表1-2所示。
表1材料力学性质表
表2球磨机工况表
(2)离散元数值模拟参数标定
离散元仿真模型参数标定,包括磨矿钢球之间、矿石颗粒之间、磨矿钢球与矿石之间、磨矿钢球与衬板之间、矿石与衬板之间的相关参数,具体如表3所示。
表3离散元仿真模型参数表
(3)设计球磨机衬板形状优化方案并建立模型
以现场使用衬板的参数为依据,设计衬板形状优化方案,衬板形状包括波形衬板、提升筋衬板和筋波衬板(波形衬板与提升筋衬板相组合),具体如表4所示。
表4衬板形状优化方案表
将上述衬板形状优化方案利用Solidworks软件建模并导出为.stl格式。
(4)通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳形状,具体步骤如下:
在EDEM前处理页面(Creator)导入衬板模型,创建颗粒工厂,按照此前计算得出的钢球级配,生成钢球和矿石颗粒,转速与现场球磨机保持一致;进入到求解器页面(Simulator),时间步长按照计算得17.35s,Fixed Time Step设置为20%,Target Save Interval设置为0.01s,设置Cell-Size为3Rmin,Collisions设置为TrackCollisions,启动模拟;待计算结束后,进入后处理页面(Analyst),导出钢球对钢球、钢球对矿石、钢球对衬板、矿石对衬板和矿石对矿石的总能量损失。
不同方案重复上述步骤,将得出的数据汇总并进行分析,如表5所示。
表5不同衬板形状优化方案效果对比表
由表5可以看出:在设计的四组衬板形状优化方案中,方案三即双波形衬板的能量利用率(钢球对矿石碰撞能量占比与矿石对矿石碰撞能量占比之和)为21.10%,在所有衬板方案中最高;其钢球对矿石的碰撞能量损失值28739J和占比13.62%在所有衬板方案中最高;除此之外,其钢球与钢球的碰撞能量占比52.10%,在所有衬板方案中最低。因此确定方案三即双波形衬板为最佳方案。
(5)设计球磨机衬板提升条高度优化方案并建立模型
以(4)确定的衬板形状作为基础,采用控制变量法,探索衬板提升条最佳高度。衬板初始高度为60mm,分别设计提升条高度40mm、50mm、70mm、80mm进行数值模拟。
(6)通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳提升条高度。
具体步骤与上述衬板形状优化方案一致,导出能量分布如下表6所示。
表6不同提升条优化方案效果对比表
由表6可以看出:在五组衬板提升条优化方案中,提升条高度为60mm时,能量利用率为21.10%,在所有衬板方案中最高;其钢球对矿石的碰撞能量占比13.62%在所有衬板方案中最高;钢球与钢球的碰撞能量占比52.10%,在所有衬板方案中偏低;因此确定最佳提升条高度为60mm。
根据以上步骤,确定云南大红山铜矿Φ3.6×4.5m球磨机最佳衬板形状为双波形,提升条高度为60mm。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种确定球磨机衬板形状及参数的方法,其特征在于:以现场球磨机衬板为依据,设计球磨机衬板形状优化方案,经EDEM离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳形状,再以此形状为基础,设计球磨机衬板提升条高度优化方案,经EDEM离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳衬板参数。
2.根据权利要求1所述的确定球磨机衬板形状及参数的方法,其特征在于:所述衬板参数包括提升条高度、提升条面角、提升条宽度和提升条组数中的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的确定球磨机衬板形状及参数的方法,其特征在于:所述方法的具体步骤如下:
Step1前期准备
调研现场球磨机工况,包括给矿力学性质、球磨机钢球级配、磨机操作参数及衬板参数,为设计衬板及数值模拟做准备;
Step2离散元数值模拟参数标定
对离散元模拟参数所需数值进行标定,包括磨矿钢球之间、矿石颗粒之间、磨矿钢球与矿石之间、磨矿钢球与衬板之间、矿石与衬板之间的相关参数;
Step3设计球磨机衬板形状优化方案并建立模型
以现场使用衬板的参数为依据,设计衬板形状优化方案,衬板形状包括波形衬板、提升筋衬板,筋波衬板以及波形衬板与提升筋衬板相组合,使用SolidWorks建立球磨机衬板优化模型;
Step4通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳形状
将Step3建立的球磨机衬板形状优化模型导入EDEM进行离散元数值模拟,导出球磨机模型内各种类型能量的损失值,包括钢球对钢球、钢球对矿石、钢球对衬板、矿石对衬板和矿石对矿石的总能量损失,分析并得出球磨机衬板最佳形状;
Step5设计球磨机衬板提升条高度优化方案并建立模型
以Step4确定的球磨机衬板形状为基础,设计衬板提升条高度优化方案,建立衬板提升条高度优化模型;
Step6通过离散元数值模拟得出球磨机衬板最佳提升条高度
将Step5建立的球磨机衬板提升条高度优化模型导入EDEM进行离散元数值模拟,导出球磨机模型内各种类型能量的损失值,包括钢球对钢球、钢球对矿石、钢球对衬板、矿石对衬板和矿石对矿石的总能量损失,分析并得出球磨机衬板提升条最佳高度。
4.根据权利要求3所述的确定球磨机衬板形状及参数的方法,其特征在于:所述步骤Step1中现场球磨机工况包括矿石和钢材的泊松比、弹性模量、密度,球磨机直径,球磨机长度,钢球充填率,最大钢球直径,总充填率,球磨机临界转速,衬板组数,钢球级配。
5.根据权利要求3所述的确定球磨机衬板形状及参数的方法,其特征在于:所述步骤Step2中离散元模拟参数包括磨矿钢球之间、矿石颗粒之间、磨矿钢球与矿石之间的恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数。
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