基于DEM的濕式格子型球磨機襯板研究

劉 輝,郝俊杰,顏 彬

(1.江蘇蘇鹽井神股份有限公司,江蘇 淮安 223000;2.淮陰工學院,江蘇 淮安 223003)

純堿工業生產中產生返砂等固體廢棄物(返砂、返石和碎石),因返砂易粉化的理化性質使生產、運輸等環節存在嚴重的污染和安全隱患等問題,已經嚴重影響企業生存。[1]蘇鹽井神三分公司首次在純堿行業中采用球磨機濕法研磨工藝,實現固體廢物有效再利用。而返砂研磨工藝的核心設備球磨機,其內部襯板長時間承受研磨體定期的沖擊、摩擦等作用,可能導致磨損、凸起變形、斷裂、腐蝕等單一或多種機制共同作用的失效形式[2]。這些問題明顯地影響物料的運動狀態,僅中國的鐵礦石選礦廠每年就消耗超過8萬t的襯板。

此外,很多選礦廠的球磨機采用直徑較大的研磨球,以降低失效球的比例。然而,這種做法會增加球鋼的耗損,降低研磨效率。因此,對不同結構型式的襯板對倉內物料的運動狀態、速度分布以及能量碰撞的影響進行分析是十分必要的。

1 球磨機襯板結構型式

對于該型號的濕式格子型球磨機,當球磨機工作時,物料經傳送帶持續輸出至球磨機內部,物料和研磨體由耐磨金屬板下方的提升帶提升至高處,并在筒體內完成拋落、沖擊、撞擊和自磨作業,實現物料磨碎。在運動過程中,物料在筒體內出現分區現象,通常將物料在筒體內分3個運動區域,分別為隨筒體上升區、瀉落面滑落區(此區域磨礦效果最差,又叫死區)、拋落區[2],如圖1所示。

圖1 物料在筒體的分布

一般來說,球磨機襯板結構型式分為平滑型和不平滑型[3]。平滑型作用形式是通過鋼球的滑動產生的摩擦和剪切力帶動物料發生破碎研磨作用,襯板表面受到較強的磨損,但該類型結構對倉內物料的提升作用較弱,其中波型襯板是一種最為常用的平滑型襯板;相較之下,不平滑型能夠有效提升研磨體與物料,降少鋼球在襯板表面的相對滑動,但襯板表面會受到較強的沖擊作用,不平滑型襯板常用長條型襯板。如圖2所示,本文通過以下四種結構型式的襯板(襯板提升條高度均一致)研究不同襯板結構球磨機內的碰撞能量分布。

圖2 襯板結構型式

2 不同襯板結構數值模擬仿真求解計算

離散元素法是由美國學者Cundall P.A教授于1971年基于分子動力學原理提出的一種顆粒離散體物料分析方法。離散元素法被廣泛用于巖土力學、粉末加工、研磨技術、混合攪拌等工業過程。EDEM是一款高性能散裝與顆粒物料仿真軟件。它采用DEM技術,能夠快速準確地對煤、礦石、土壤、纖維、谷粒、藥片和粉末的行為進行仿真和分析。故本文基于離散元素法建立固體顆粒系統的參數化模型,進行襯板行為模擬和分析。

2.1 顆粒材料屬性模型建立

本文針對純堿行業的某型號濕式格子型球磨機,由SolidWorks中處理的球磨機模型,輸出為Stp格式導入EDEM,使用顆粒工廠生成兩種顆粒。兩種顆粒模型物理參數如表1所示,顆粒工廠于Y軸-0.5 m處,這樣顆粒生成時即堆疊于球磨機底部,減少顆粒掉落時間。其中礦石粒徑分布為:20 mm占100%、15 mm占70%、10 mm占20%。

表1 顆粒模型物理屬性

顆粒模型簡化為球體,設置顆粒與顆粒、顆粒與襯板之間接觸的靜摩擦系數、動摩擦系數、切向剛度比和恢復系數,共需要設置五組相互作用參數,如表2。

表2 材料的相互作用參數

2.2 EDEM仿真模型的設置

在顆粒工廠中,選取類型為Virtual,其中鋼球數量為目標數量為800,每秒生成300個;顆粒目標數量是16 000,每秒生成6 000個,在3 s內生成。為保證顆粒更為快速沉降至襯板底部,設置顆粒重力方向上的10 m/s的速度。

在上述設置完成后,對襯板模型添加Linear Rotattion Kinematic,襯板3 s后開始轉動,速度是3 rad/s,旋轉軸是Z軸方向。

在求解器設置界面,步長定義是:顆粒-顆粒、顆粒-模型每個時間步長內的受力是一定的,過大的步長導致仿真失真,計算數值發散小的時間步導致計算量增大。瑞利時間步:顆粒碰撞時會產生瑞麗波,瑞麗波傳播半個球面所需要的時間(步長定義100%時,為一個瑞利時間步長),步長設置為17.6511%。仿真總時長是15 s,cell size是默認的3倍半徑。

2.3 仿真結果

將磨機內顆粒按運動速度從快到慢分別用階梯灰度,時間均取磨機運轉穩定后最后一圈任意時刻(8.21 s),4種襯板球磨機內部顆粒運動狀態見圖3。

圖3 不同襯板結構球磨內部顆粒的運動狀態

1)靠近磨機內部的顆粒速度逐漸減小,這一區域磨礦效果較差,應盡量減少“腎形區”的存在;拋落式的鋼球比瀉落式的運動速度更快,攜帶更多能量,可在一定程度上提高礦石破碎的可能性。

2)單波襯板相對于平滑鋼球而言是瀉落式的,因此,高速運動的鋼球在數量上最少,其沖擊效果較差。再加上磨機內存在大片空白區域,這一部分對磨礦無貢獻,使得磨礦效果明顯下降。

3)筋波襯板和雙筋襯板導致磨機內高速運動的鋼球呈拋落式,空白區域減少,有利于更有效地利用磨機容積。然而,這也導致較多鋼球沖擊露出的襯板,這種能量增加會造成鋼耗,屬于有害能量。

4)雙波襯板中,鋼球呈拋落式,相較于單波襯板,高速運動的鋼球數量增多,在確保沖擊力的同時盡可能保護襯板。這種合理的鋼球運動狀態有助于改善磨機內部能量分布。

如圖4所示,圖為仿真進行到8.31 s時,即襯板旋轉最后穩定的一圈(8.06～10.01 s)中的某一時刻,“死區”顆粒數所占物料整體顆粒數的比重,其中單波襯板所占比重最大,為8.07%,而雙波襯板所占比重最小,為3.76%。

圖4 “死區”顆粒數所占物料整體顆粒數的比重

磨礦設備內傳遞的動能主要用于破碎礦石、磨損襯板和鋼球。碰撞情形包括鋼球-礦石、鋼球-鋼球、鋼球-襯板、礦石-礦石以及礦石-襯板。球磨機磨礦主要依賴于鋼球對礦石的撞擊和研磨,而礦石-礦石之間的研磨也在一定程度上參與磨礦過程。因此,將鋼球-礦石和礦石-礦石的碰撞能量之和占磨機碰撞總能量的比例視為能量利用率(在計算碰撞能量利用率時,未考慮礦石-襯板的碰撞能量):鋼球-鋼球和鋼球-襯板的碰撞會導致鋼球和襯板的磨損,對礦石破碎產生負面影,因此,應盡量降低這一部分能量的占比。

磨機內碰撞的總能量可反映顆粒在其中運動的激烈程度。本文提取了單波襯板、筋波襯板、雙波襯板和雙筋襯板在磨機內的碰撞總能量,分別為95 132 J、108 646 J、108 661 J和116 647 J。在圖5中,顯示了磨機穩定運行后最后一圈的四種襯板內碰撞能量的分布情況。結合圖5可以得知:

圖5 不同襯板結構下球磨機中碰撞能量分布

1)磨機內部鋼球-鋼球碰撞能量占比最高,表明鋼球之間的碰撞最為激烈,同時也說明磨機的能量利用率相對較低。相反,礦石-礦石的碰撞能量占比最低,其間僅具微弱的研磨作用。

2)單波襯板的碰撞總能量為95 132 J,在所有襯板中最低。然而,其鋼球-鋼球碰撞能量占比最高,達到58.52%,這可能導致鋼球的消耗較大。

3)雙筋襯板和筋波襯板的鋼球-襯板碰撞能量占比分別為15.94%和19.84%。盡管鋼球-鋼球碰撞能量占比較高,分別為57.77%和56.33%,但碰撞能量的利用率卻僅為15.07%和16.48%。這表明這兩種襯板磨機內的能量分布并不合理,碰撞總能量的提高反而加速了鋼材的消耗。

4)雙波襯板的碰撞總能量雖然不是最高的(為108 661 J),但其鋼球-礦石碰撞能量占比為13.75%,在所有襯板結構中最高。而鋼球-鋼球和鋼球-襯板的碰撞能量占比保持在較高水平,其碰撞能量利用率為20.94%,在所有襯板結構中最高。因此,雙波襯板磨機內的碰撞能量分布相對較為合理。

3 結 論

本文建立了單波襯板、雙波襯板、筋波襯板和雙筋襯板,基于倉內能量分布及能量利用率對三種襯板破碎性能進行模擬。雙波襯板碰撞能量利用率為20.94%,碰撞能量分布合理且利用率最高,因此,雙波襯板的破碎性能優于單波襯板、筋波襯板和雙筋襯板。