CN117313435B - 一种基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，属于磨矿优化技术领域。对磨机进行三维建模后，在相同条件下，进行现场介质配比方案与理论介质配比方案的离散元仿真模拟。将选定周期内的颗粒运动状态图划分为30×30的网格区域，并分别统计x平面和z平面上各网格内颗粒群的位置坐标及速度矢量坐标并取平均值。提取磨机内颗粒群速度为零的点并连接，获得在x和z方向上的水平和垂直平衡面，两平衡面的交点去除交线处多余部分即为平衡面。以平衡面为基准来定量化比较不同介质配比方案下磨机内颗粒群速度特征关系，选择出更优的磨矿介质配比方案。本发明有较高的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，属于磨矿优化技术领域。
背景技术
磨矿是将已破碎到一定尺寸的矿石进一步粉磨的过程，其目的是使矿石达到单体解离。但随着矿石贫化程度越来越高，选厂对磨矿作业的要求也随之增高。如今，磨矿作业已不仅要让矿石达到单体解离，还应积极提高产品粒度的均匀特性。若在磨矿过程中出现严重的过磨或欠磨现象，将直接影响矿物的分选，造成精矿品位和回收率偏低，同时也会造成不必要的能源耗费，增加选矿成本。因此，提高磨矿产品粒度的均匀特性是有效提高选厂选别指标的关键所在，对选厂提效降耗具有重要意义。
影响磨矿效果的因素包括入磨矿石的物理性质及粒度特性，磨矿设备的种类及结构，磨矿阶段可调节的工艺因素三类。其中，入磨矿石的物理性质波动较大，且改变入料粒度成本过高，在工业现场基本不作为优化磨矿作业的方法。对设备进行改型及更换，均需重新购置设备或调整厂房，改进成本偏高，难以最大程度地提高选厂经济效益。而通过调整工艺因素优化磨矿效果，可有效改善产品粒度组成，降低磨矿产品的过粗和过细级别产率。由多次工业应用验证，对工艺因素中球磨机内介质级配的优化，可显著改善磨矿效果。
随着计算机性能及模拟仿真技术的迅速发展，仿真模拟已成为解决工程研究问题的一种重要方法，在磨矿领域也得到了广泛应用。其中，离散元法是研究矿石碎磨机理的重要工具。通过该方法可以分析磨机内颗粒群的运动状态及速度分布情况，更清晰地了解不同介质配比方案下磨机内颗粒群的运动速度分布，从而科学的比较出不同方案下磨矿效果的优劣。
在以往的对比分析中，大多使用直观观察的分析方法，缺乏科学性，难以令人信服。本发明方法通过精确化的区域划分，定量化的分析比较不同介质配比方案下的速度特性差异，具有科学性，更具说服力。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法。本发明基于离散元法，通过对模拟仿真中磨机内颗粒运行稳定后的磨机区域进行30×30的网格划分，统计区域网格内颗粒群的位置及速度矢量信息并取平均值。提取颗粒群速度为零的点并连接，获得在x和z方向上的水平和垂直平衡面，两平衡面的交点去除交线处多余部分即为平衡面。以此平衡面为基准来定量化对比不同介质配比方案下磨机内颗粒群速度特征关系，从而选择出更优的磨矿介质配比方案，有效弥补以往直观观察方法中不准确、不科学的缺点。
本发明通过以下技术方案实现。
一种基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，其具体包括以下步骤：
（1）对选矿厂进行磨矿流程考察及矿石力学性质测定，根据戴维斯钢球运动理论和破碎统计力学计算出理论介质配比；
（2）对现场磨机进行三维建模，并在相同条件下，对现场介质配比方案及步骤（1）得到的理论介质配比方案进行离散元仿真模拟；
（3）当仿真模拟的磨机内颗粒运动状态稳定后（球磨机内颗粒已充分混合），选取稳定后的一个周期作为统计对象；
（4）将步骤（3）所获取的稳定周期内的磨机区域划分为30×30的网格区域，并分别统计x平面及z平面上每个网格内颗粒群的位置坐标及速度矢量坐标并取平均值；
（5）根据步骤（4）获得的位置及矢量坐标，提取磨机内颗粒群速度为零的点并加以标记；
（6）连接步骤（5）提取的零速标记点，在x及z方向上分别得到水平和垂直平衡面，两平衡面的交点去除交线处多余部分即为平衡面；以平衡面为基准来定量化比较不同介质配比方案下磨机内颗粒群速度特征关系，选择出更优的磨矿介质配比方案。
所述步骤（1）中磨矿流程考察包括：球磨机给矿、球磨机排矿、分级旋流器沉砂、分级旋流器溢流。矿石力学性质包括单轴抗压强度、泊松比、弹性模量、密度。
所述步骤（4）中周期内的区域划分和统计均采用离散元软件中GeometrySelections模块实现。
所述步骤（6）不同介质配比方案中，速度梯度较大者，为更优的磨矿介质配比方案。
本发明的有益效果是：
采用离散元法和网格法，对模拟仿真中磨机内区域进行精确化划分和统计，具有准确性和科学性。
对划分后的每个网格进行速度特性的量化对比分析，更直观的比较不同介质配比方案的优劣，具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明流程示意图；
图2是本发明一段理论方案颗粒群速度矢量分布图；
图3是本发明一段现场方案颗粒群速度矢量分布图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，其具体包括以下步骤：
（1）对选矿厂进行磨矿流程考察及矿石力学性质测定，根据戴维斯钢球运动理论和破碎统计力学计算出理论介质配比；
（2）对现场磨机进行三维建模，并在相同条件下，对现场介质配比方案及步骤（1）得到的理论介质配比方案进行离散元仿真模拟；
（3）当仿真模拟的磨机内颗粒运动状态稳定后（球磨机内颗粒已充分混合），选取稳定后的一个周期作为统计对象；
（4）将步骤（3）获取的稳定周期内的磨机区域划分为30×30的网格区域，并分别统计x平面及z平面上每个网格内颗粒群的位置坐标及速度矢量坐标并取平均值；
（5）根据步骤（4）获得的位置及矢量坐标，提取磨机内颗粒群速度为零的点并加以标记；
（6）连接步骤（5）提取的零速标记点，在x及z方向上分别得到水平和垂直平衡面，两平衡面的交点去除交线处多余部分即为平衡面；以平衡面为基准来定量化比较不同介质配比方案下磨机内颗粒群速度特征关系，选择出更优的磨矿介质配比方案。
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，该基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，具体包括以下步骤：
以某选矿厂一段介质配比优化为实例，其实际介质配比为m（Φ120）=100%，理论计算介质优化配比为m（Φ120）：m（Φ100）：m（Φ90）=50%：20%：30%。
对介质配比方案进行离散元仿真模拟
a.根据现场磨机规格建立三维筒体模型。因计算机计算能力的限制，在既不影响仿真结果准确性，也可控制仿真模拟计算量的情况下，本实例中建立的三维筒体模型尺寸为Φ2000 mm×300 mm。
b.根据介质配比方案对离散元颗粒进行建模。所需的钢球颗粒模型尺寸为：120mm、100 mm、90 mm，矿石颗粒模型尺寸为4 mm，其颗粒具体参数如表1所示。
表1 各颗粒模型参数
c.颗粒接触参数设定，其具体参数如表2所示。
表2 颗粒接触参数
d.根据步骤（1）中确定的现场介质配比方案和理论计算介质配比方案进行模拟仿真试验。两方案的模拟仿真试验条件与现场运行参数一致，其球磨机充填率约为40%、转速率75%。模拟中，时间步长为9.95e-06，颗粒生成时间设置为1 s，模拟时长设定为20 s。模拟过程中不考虑液相的影响因素，只考虑干燥情况下，介质对矿石的碰撞能量变化。
（3）选取导出磨机运行稳定后的颗粒群运动状态及速度、颗粒位置等相关信息。本实例中，两个方案都选取6~10 s内的数据进行导出和分析。
（4）将步骤（3）所获取的稳定周期内的模拟区域，在离散元软件（GeometrySelections模块）中进行区域划分，划分为30×30的网格区域，如图2（a）、图3（a）所示。
网格区域划分好后，分别统计x平面及z平面上每个网格内颗粒群的位置坐标及速度矢量坐标信息并取平均值。如图2（b）（c）、图3（b）（c）所示，区域内不同颜色颗粒表示颗粒具有不同的速度，速度值的大小与图侧比例尺对应。
根据步骤（4）获得的不同网格内颗粒群位置及速度矢量信息，提取磨机内颗粒群速度为零的点并连接，获得在x和z方向上的水平和垂直平衡面，如图2（b）（c）、图3（b）（c）中曲线标注。
将（5）中所获得的水平（x）及竖直（z）平衡面进行重叠，两平衡面交点处即为介质循环中心（COC），如图2（d）、图3（d）所示。
对比分析图2与图3可知，图2中磨机内颗粒群在x轴及z轴方向上速度的变化为正方向速度远小于负方向速度，说明颗粒在x轴和z轴方向上呈现较大的速度梯度。与现场介质配比方案相比，理论介质配比方案颗粒间具有更大的相对运动速度，更有利于颗粒的破碎。
如图2（d）、图3（d）所示，理论介质配比方案和现场介质配比方案的介质循环中心坐标分别为（24，12）和（22.8，9.8）。介质群循环中心向右上方偏移，更有利于增加磨机内颗粒的相对运动速度。
综上所述，一段理论介质配比方案优于现场介质配比方案。此外，在相同条件下的实验室磨矿对比试验也印证了这一观点。
实验室磨矿对比试验方案与试验结果如下：
一段试验主要在实验室D×L 450×450 mm的球磨机中进行，现场要求磨矿细度-0.074 mm控制在40%~45%之间，经探索试验确定的磨矿时间为970s，试验用球磨机转速率为75%、充填率40%、料球比0.8，均与现场相当。
将磨矿试验得到的产品进行缩分、制样、筛析，并将各方案磨矿产品的+0.30 mm粗粒级、-0.074 mm合格粒级、-0.010 mm过粉碎粒级、-0.15+0.010 mm可选粒级及-0.10+0.019 mm易选粒级的含量作为评价指标，通过综合比较选出最优磨矿介质配比方案，试验结果如表3所示。
表3 一段介质配比方案磨矿试验结果
由表3的试验结果对比可知：①理论计算介质配比方案中-0.074 mm产率较高，比实际介质配比方案中-0.074 mm产率高了5.5个百分点。②理论计算介质配比方案的中间可选级别-0.15+0.010 mm产率和中间易选级别-0.10+0.019 mm产率比实际介质配比方案分别高了4.47和2.97个百分点。
综上，一段理论介质配比方案优于现场介质配比方案。因此证明本发明的分析方法具有准确性、科学性与可实施性。
以上实例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 (3)
1.一种基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）对选矿厂进行磨矿流程考察及矿石力学性质测定，根据戴维斯钢球运动理论和破碎统计力学计算出理论介质配比；
（2）对现场磨机进行三维建模，并在相同条件下，对现场介质配比方案及步骤（1）得到的理论介质配比方案进行离散元仿真模拟；
（3）当仿真模拟的磨机内颗粒运动状态稳定后，选取稳定后的一个周期作为统计对象；
（4）将步骤（3）获取的稳定周期内的磨机区域划分为30×30的网格区域，并分别统计x平面及z平面上每个网格内颗粒群的位置坐标及速度矢量坐标并取平均值；
（5）根据步骤（4）获得的位置及矢量坐标，提取磨机内颗粒群速度为零的点并加以标记；
（6）连接步骤（5）提取的零速标记点，在x及z方向上分别得到水平和垂直平衡面，两平衡面的交点去除交线处多余部分即为平衡面；以平衡面为基准来定量化比较不同介质配比方案下磨机内颗粒群速度特征关系，选择出更优的磨矿介质配比方案。
2.根据权利要求1所述的基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，其特征在于：所述步骤（1）中磨矿流程考察包括：球磨机给矿、球磨机排矿、分级旋流器沉砂、分级旋流器溢流；矿石力学性质包括单轴抗压强度、泊松比、弹性模量、密度。
3.根据权利要求1所述的基于离散元法不同介质配比方案的速度特性对比分析方法，其特征在于：所述步骤（4）中周期内的区域划分和统计均采用离散元软件中GeometrySelections模块实现。
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| GR01 | Patent grant | ||
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