物料形状和磨盘转速对立式磨破碎性能的影响研究.pdf
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1、45中图分类号:TQ72.632.5 文献标识码:A 文章编号:008-0473(2023)05-0045-04 DOI编码:0.6008/ki.008-0473.2023.05.00物料形状和磨盘转速对立式磨破碎性能的影响研究李 洋(合肥中亚建材装备有限责任公司,安徽 合肥 230051)摘 要 为了揭示立式磨的破碎行为,以破碎率、排料率、功率、平均功率为立式磨破碎性能评价指标,运用离散元法建立立式磨仿真模型研究物料颗粒形状、磨盘转速对破碎性能的影响。研究结果表明:破碎率与球形度成反比,而排料率随着球形度的增加呈先减小后增大变化,六面体排料率最低;八面体的平均破碎功率最大,为72.45 W,
2、球的平均破碎功率最小。此外,破碎率随着转速的增加而减小,而排料率几乎呈线性增加。转速为60 r/min时,平均破碎功率最大,为47.25 W;转速为90 r/min时,平均破碎功率最小,为31.38 W。关键词 破碎行为 破碎率 排料率 功率 离散元法0 引言破碎包含碎和磨两种方式,矿物破碎是生产过程中的主要能量消耗单元,根据统计数据,该消耗能量约占矿业运行总成本的35%50%1,甚至更高。也有统计认为矿物破碎可能占全球电能消耗量的1.8%2。立式磨广泛应用于水泥、煤渣和矿粉的粉磨处理作业,具有粉磨能耗低、效率高等优点3。在工业或者实验室研究立式磨的破碎行为很难,目前的破碎模型大多是基于实验和
3、工业数据,甚至是半经验公式。由于对破碎过程缺乏深入的认识和了解,特别是对物料性质和操作参数对破碎性能的影响缺乏系统的研究,导致无法充分利用设备的性能。为了弥补传统方法的不足,Cundall和Strack4提出了基于牛顿运动定律的DEM数值方法,并在选矿领域得到了大力应用。颗粒粘结模型(BPM)是研究颗粒破碎行为的有效数值模型。在岩土力学的应用中,Cil5基于不同颗粒形状和大小对颗粒破裂的影响,采用离散元法对砂粒的三维破裂进行了评价。De Bono6采用离散元法(DEM)模拟高压三轴剪切试验,讨论了剪切过程中破碎的一般影响。对物料破碎在破碎机中进行的情况,Quist7利用DEM-BPM模型研究了
4、圆锥破碎机的机理,得到了内部破碎过程和运行效果。Li8采用结合颗粒模型(BPM)建立了齿状双辊破碎机破碎过程的离散元法(DEM)模型。将数值模拟结果与实验数据进行了定量比较,得到了较好的一致性。Bracey9基于DEM-BPM模型对多轴磨机破碎过程进行了仿真,并对其工艺性能进行了评价。汪利萍10基于离散元法对立式磨的粉磨性能进行了研究,并运用MATLAB对相关数据进行回归分析,建立粘结键断裂数与磨辊个数和转速的函数关系模型与响应曲面图。与其他破碎机相比,关于立式磨破碎数值模拟的研究文献较少,对于关键参数对立式磨破碎性能的影响仍缺乏了解。因此,本文基于离散元法探究物料形状和磨盘转速对立式磨破碎性
5、能的影响,可为提高立式磨粉磨效率提供理论支撑。1 立式磨工作原理图1为仿真所用的立式磨模型,磨盘直径600 mm,磨辊直径340 mm,磨辊中心线与水平夹角13。立式磨的粉磨原理是通过磨辊和磨盘的挤压作用使物料破碎,且磨盘与磨辊存在线速度差。立式磨中2023年第5期 新世纪水泥导报 No.5 2023 Cement Guide for New Epoch 粉磨技术46的颗粒破碎包括单颗粒破碎和颗粒床破碎,颗粒床破碎空间是非受限的。挤压行为是通过磨盘和辊的相对运动来实现的,旋转运动通过电机和减速器传递给磨盘,实现旋转运动。从上往下看磨盘顺时针运动,物料通过给料斗落入磨盘中心,在磨盘的旋转作用下进
6、行离心运动,经磨盘和磨辊的挤压、剪切作用而被破碎。(a)(b)图 立式磨模型2 破碎模型构建及参数设置2.1 破碎模型Cundall和Strack和Cundall的早期工作使用不同大小的圆形颗粒来重组致密颗粒。这些圆形颗粒通过粘结键结合在一起,类似于岩石中的复杂颗粒结合在一起。本文采用破碎模型建立了石灰石模型,原则上,破碎模型能够解释石灰石破碎力学行为的各个方面。破碎模型基于一个假想的并行结构来将粒子组绑定在一起。当外部压力超过临界水平时,这些粒子群将自动断开。粒子之间的相互作用根据Hertz-Mindlin无滑移接触模型进行,当连接建立时,粒子之间的力和扭矩由破碎模型中表示键的表达式计算。作
7、用在单键上的力Fb和力矩Fb如图2所示,具体公示如下:(1)其中 (2)式中,和代表法向和剪切粘结刚度;vn、vt、n和t分别是法向速度、切向速度、法向角速度和切向角速度;Ab和J分别表示键的横截面积和极转动惯量;Rb是键半径,取决于最小接触球的半径。法向应力和剪切应力由公式(3)给出:(3)如果法向应力超过法向强度(c)或剪切应力超过剪切强度(c),则平行粘结断裂。图2 两个颗粒粘结的示意图2.2 破碎参数设置构建了仿真中使用的立式磨的物理模型,该模型与图1所示的实验室规模设备相匹配。模拟所用石灰石的颗粒特性、物理常数及破碎模型如表1所示。颗粒密度为2 715 kg/m3,杨氏模量为(1e+
8、7)Pa,泊松比为0.3。粒子与几何体之间的恢复系数分别为0.2和0.1。颗粒间静摩擦系数为0.80,滚动摩擦系表 DEM仿真的模型参数2023年第5期 No.5 2023 李洋:物料形状和磨盘转速对立式磨破碎性能的影响研究 粉磨技术473.2 颗粒形状的影响定义破碎率P,表示物料破碎的难易程度,公式如下:(4)式中,P为破碎率,N和M分别为断裂键数和总键数。本文探索的粒子的形状和球形度分别为四面体、六面体、八面体、十二面体、球,球形度分别为0.671、0.860、0.845、0.910、1.000。图4显示了物料破碎速率和排料率随颗粒形状的变化情况。从图4可以看出,破碎率与球形度成反比,接近
9、线性关系,而排料率先减小后增大。六面体排料率最低。球形度较低的物料在磨盘上以滑动运动为主,球形度较高的物料则以滚动运动为主。滚动摩擦系数远低于滑动摩擦系数,使得流动性好的物料不易被磨辊抓住破碎,导致成品粒度较粗。本文所研究的功率是指粉碎颗粒所消耗的功率,而不是立式磨运行所消耗的功率。工业中大量无用的功以摩擦和热的形式损失掉了。在实际应用中,很难通过实验获得其破碎功率。本文采用离散元法直接求出任意时刻的破碎功率。图5给出了功率随时间的变化曲线。最大破碎功率为十二面体,对应的时间和值分别为0.7 s和572.8 W。图6为不同颗粒形状对应的平均破碎功率。平均破碎功率是按一个破碎周期计算的。需要指出
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