基于离散单元法的立磨机关键影响因子分析.pdf
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1、:134:doi:10.3969/j.issn.1671-9492.2023.05.018基于离散单元法的立磨机关键影响因子分析有色金属(选矿部分)2023年第5期孙小旭1-2,何建成1.2,王卜1,2,姚建超1,2(1.北矿机电科技有限责任公司,北京10 0 16 0;2.矿冶科技集团有限公司,北京10 0 16 0)摘要:立磨机是矿物加工领域中高效细磨的关键装备,为深入探索立磨机磨矿效率的影响因子,总结了离散单元法用于立磨机研究的现状,并采用离散单元法,对立磨机介质的运动轨迹、力学参数、动力学参数、能量分布等进行了研究分析。结果表明,介质运动状态是立磨机高效细磨的关键,不同区域的介质运动规
2、律并不相同,介质的速度、角速度、动能、旋转动能等在搅拌装置外缘处达到最大值,在筒壁处达到最小值,故搅拌装置与筒体间的环形间隙处速度梯度最大,是磨矿的重要区域。通过对立磨机内部影响因子的分析,为从微观角度析立磨机磨矿行为奠定了基础,为立磨机的选择性磨矿研究、技术优化和产业化指明了方向。关键词:立磨机;离散单元法;介质运动;速度梯度;细磨效率中图分类号:TD453文献标志码:A文章编号:16 7 1-9492 2 0 2 3)0 5-0 134-0 5Key Influence Factor Analysis of Vertical Mill Based on Discrete Element M
3、ethodSUN Xiaozul-2,HE Jianchengl-2,WANG Dubo l-2,YAO Jianchao l.?(1.BGRIMM Machinery and Automation Technology Co.,Ltd.,Beijing 100160,China;2.BGRIMM Technology Group,Beijing 100160,China)Abstract:Vertical mill was the key equipment of high efficiency fine grinding in the field of mineralprocessing.
4、In order to further explore the impact factors of grinding efficiency of vertical mill,the researchstatus of discrete element method(DEM)for vertical mill was summarized,and the motion trajectory,mechanical parameters,dynamic parameters and energy distribution of vertical mill medium were studiedand
5、 analyzed by using DEM.The results showed that the motion state of the medium was the key to the highefficiency fine grinding of the vertical mill.The motion law of the medium was different in differentareas.The velocity,angular velocity,kinetic energy and rotary kinetic energy of the medium reached
6、 themaximum value at the outer edge of the stirring device and reached the minimum value at the cylinderwall.Therefore,the annular gap between the stirring device and the cylinder had the maximum velocitygradient and was an important area for grinding.Through the analysis of the internal impact fact
7、ors of thevertical mill,the foundation was laid for the analysis of grinding behavior of vertical mill from themicroscopic point of view,and the direction was pointed out for the selective grinding research,technologyoptimization and industrialization of vertical mill.Key words:vertical mill;discret
8、e element method;media motion;velocity gradient;finegrinding efficiency随着经济的高速发展,对各种矿产资源的需求逐步提高,低品位和细嵌布粒度共生矿物逐渐进人矿物加工领域,矿物的高效细磨技术与装备成为了研究热点-2)。在此背景下,立式螺旋搅拌磨机(即收稿日期:2 0 2 2-0 8-15基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 1YFC2902901)作者简介:孙小旭(198 9-),男,河北易县人,硕士,高级工程师,主要从事细磨技术装备研究与推广。立磨机)被研发并取得广泛应用,北矿机电科技有限责任公司于2 0 0 8 年开
9、展立磨机机理研究,于2 0 11年成功研制当时国内首台装机功率最大的6 30 kW立磨机,于2 0 2 0 年成功研制已应用的国内装机功率2023年第5期最大的12 50 kW立磨机,随着大规模应用,磨矿机理研究已成为立磨机能否节能高效细磨的重中之重3。近些年,随着离散单元法等数值模拟技术的发展,为立磨机的机理研究提供了新的思路和方法。目前,国内外学者利用离散单元法对立磨机开展了大量研究,SINNOTT等5对比了球型和非球型两种介质对立磨机性能的影响,研究表明,非球形介质流动性较差,研磨区域中孔隙率的增加会导致物料粉碎率降低。CLEARY等6 1针对中试规模的立磨机的研磨介质流动进行了模拟,分
10、析了磨机中的碰撞环境、介质流动、衬板应力、冲击磨损及矿浆混合和运输效率等。ESTEVES等7 分析了立磨机的衬板模型情况,研究结果表明,磨机速度8 7 r/min时一致性更好,磨损导致功率和颗粒平均平移速度显著下降,磨机顶部和底部的颗粒速度降低加剧,在磨机底部存在死区效应。任廷志等8 基于该方法对立磨机槽体内介质的运动建模,研究搅拌器直径、螺旋升角、转速及填充率对立磨机性能的影响。肖正明等9研究介质填充率对磨矿效率的影响发现,随着介质填充率升高,介质附近的矿石颗粒减少,有效碰撞降低,碰撞能严重流失,磨机的功率急剧增大,能量利用率逐渐下降;随着介质球填充率下降,矿石颗粒附近的介质球减少,碰撞次数
11、减少,甚至出现无法破磨的现象。祝启恒等10 和孙小旭等11分析了立磨机的主要磨矿因子,探索影响立磨机磨矿效果的关键结构参数和工业运行参数,结果表明,能耗随着环形间隙的增大而减小,随着螺旋外缘线速度的增大而增大,随着介质直径的增大能耗先减小后增大,随着螺径比的增加先减小后增大。姚宗伟等12 利用离散元法构建了立磨机的磨矿机理数学模型,针对不同工艺参数进行了研究,结果表明,基于质量守恒的数学模型可以较为准确地预测出料粒度分布,介质尺寸、螺旋外缘线速度、填充量等对出料粒度有决定性影响。基于此,针对现有立磨机研究中存在的不足之处,本文拟利用离散单元法来深入研究立磨机介质运动轨迹、力学参数、运动学参数及
12、能量参数等内在影响因子,以寻求较好的介质运动状态和细磨性能,以期提高立磨机的整体性能。1立磨机结构和原理立磨机主要由电机、减速机、支架、筒体、螺旋体等组成。其采用电机驱动,经减速机减速后带动下孙小旭等:基于离散单元法的立磨机关键影响因子分析却是高效研究的手段之一。2离散单元法基本原理离散单元法是由美国科学家在19 7 1年提出的,是一种计算颗粒运动和碰撞的数值模拟方法,广泛应用于解决颗粒和不连续材料中的工程问题。基本思想是根据颗粒间互相作用与牛顿运动定律,对每一时刻的颗粒进行叠加计算,进而得出每个时间步长所有颗粒的受力和位移,且可随时更新颗粒状态。通过对单个颗粒跟踪,得到整个颗粒系统运动规律。
13、其数值模拟核心为:接触模型,即力-位移关系;牛顿第二定律14。目前采用通过结合法线方向上的Hertz接触理论和切向方向上的Mindlin无滑动模型来对颗粒间的接触进行建模,颗粒所受作用力可看作接触点上切向和法向上的合力,其关系如下15;法向接触力F,是法向重叠量,的函数:F,=-K,o,+C,vrel式中,Kn是法向弹簧刚度常数;Cn是法向方向的阻尼系数;vrel是相对速度的法向分量。切向上受到的阻尼力F,为:F,=min(F,K,o,+Cvrel)式中,K,是切向弹簧刚度常数;,是切向重叠量;C,是切向方向的阻尼系数;vrel是相对速度的切向分量。3仿真与结果分析以立磨机的物理模型为基础,据
14、离散单元法搭建仿真模型,如图1所示。该模型基本参数为:筒体内径17 0 mm,高度48 0 mm,介质为钢球,直径10mm,充填率35%。本文主要以立磨机介质运动及受力等影响因子作为研究目标,忽略范德华力、黏:135部轴做旋转运动,下部螺旋轴具有搅拌并提升介质的功能。在筒体内,上半部分为分级区,下半部分为矿粒搅拌与研磨区。质量轻、粒度小的矿粒在螺旋的搅拌和提升作用下向上运动至分级区并从溢流口流出,减少过磨;质量重、粒度大的矿粒在重力的作用下向下运动至搅拌与研磨区,受到强烈的介质研磨从而使粒度快速减小,提升研磨效率;在两种作用的共同影响下,磨机内部形成高效的系统循环,保证了高效研磨13。可见,介
15、质运动是立磨机高效细磨的关键因素,即介质研究是立磨机机理的关键影响因子,但因介质数量多且尺度大,传统有限元及流体力学方法并不适用,而基于牛顿流体的离散单元法(1)(2):136:接及团聚等因素的影响,运用Hertz-Mindlin模型开展数值仿真分析,相关结果和分析如下。有色金属(选矿部分)2023年第5期图3底部区域介质运动轨迹Fig.3Trajectories of media motion in thebottom region筒体侧壁区域介质的运动轨迹如图4所示。仿真结果表明,此部分介质紧贴筒壁做圆周运动,也会出现基本不参与上下循环的情况,但介质的具体数图1数值仿真模型Fig.1Num
16、erical simulation model3.1介质运动轨迹理论分析可知,介质运动轨迹一般是在螺旋表面螺旋式上升到螺旋顶端,由螺旋与筒体间环形间隙下降到筒体底部。为详细分析介质运动轨迹,特选取中部区域、筒体底部、筒体侧壁处的介质进行分析,逐一讨论介质运动轨迹。中部区域的介质运动轨迹分析如图2 所示。仿真结果表明,介质进人中心区域在搅拌装置的作用下螺旋式上升,但上升位移不远又开始下降,之后又经历了两次下降、上升才到螺旋最上端并在进人环形间隙后开始下降。量与搅拌装置转速正相关,数量过多将导致环形间隙空间被占据,阻碍筒体内介质循环,致使部分介质悬浮于筒体上部,碰撞概率减小而失去研磨效果,故合理地
17、控制搅拌装置转速,既能建立起稳定运动循环又不会出现介质悬浮现象是技术和设备研发过程中必须考虑的。图4筒体侧壁区域介质运动轨迹Fig.4Trajectories of media motion in the sidewall region of the cylinder3.2力学参数分析介质与介质、介质与搅拌装置间的作用力形式是多种多样的,难以一概而论,但总结来说可以分为两种:法向力、切向力。磨矿是一个作用累积的过图2 中部区域介质运动轨迹Fig.2Trajectories of media motion in thecentral region螺旋搅拌装置与筒底之间间隙内的介质运动轨迹如图3所
18、示。仿真结果表明,此处介质基本不参与上下循环,在筒底区域作圆周运动,主要因为介质与介质之间动静摩擦系数不足以产生足够的离心力所致。程,单次作用力很大,作用次数少,发挥的作用也会有限。故数值仿真分析中,研究参数主要为法向力、切向力及作用次数。切向和法向作用力云图如图5所示。从图中可以看出,筒体侧壁区域存在明显作用力,但中部区域却不是很明显。原因是搅拌装置旋转时,在离心力作用下介质贴紧筒体侧壁,几乎没有分离或者不接触的情况,故介质与筒体之间始终存在相互作用;中2023年第5期部区域介质与介质、介质与搅拌装置间则存在持续接触、分离、接触、分离的过程,在某一特定时刻所测得作用力会较小。Time:15s
19、Normal force/N4.73E+0013.78E+0012.84E+0011.89E+0019.45E+0001.20E+005Time:15 sNormal force/N1.04E+0018.32E+0016.24E+0014.16E+0012.08E+0002.65E+006图5作用力云图Fig.5Cloud diagram of force进一步分析法向力和切向力随时间的变化趋势可知,在搅拌装置的旋转过程中,无论是法向力还是切向力虽有波动,但是数值变化不大;但在搅拌轴停止旋转以后迅速减小,因介质回落需要时间且与相邻介质或结构有碰撞,故仍有一定的作用力且此时的切向力大于法向力,平
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