基于离散元方法的大型球磨机工作性能研究

球磨机具有破碎比大、稳定性好、适应性强等优点,在矿山、冶金、建筑、化工等行业都有广泛应用。其大型化一直都是实际生产的需要和技术发展的方向。但是,随着球磨机规格的增大,采用传统的理论与实验结合的方法对其磨矿过程进行研究的难度增加。球磨机的满载起动是一个“暂态”过程,较难在实践中获得经验,一直缺乏成熟的结论可供参考。过去人们一直认为球磨机起动过程中的力矩和功率很高,在磨机设计时倾向选择功率较大的电动机,虽然满足了工作要求,但是不具有经济优势。调查显示,要发挥大型球磨机的磨矿效率,必须重视磨机设计、操作等参数的影响。如果磨矿参数选择不当会造成大型球磨机效率的降低,甚至使其无法正常工作。目前对磨矿参数的研究主要以磨机功率为评价指标,不能完全反映球磨机的综合工作性能。 本文用离散元软件EDEM建立了球磨机磨矿的离散元模型,模型中考虑了矿石的影响,力求真实的再现球磨机的运转过程。分析了起动过程中物料运动状态和力矩的动态变化规律,并以磨机稳定运行时的力矩和功率为基准确定了起动过程中对力矩和功率的要求。综合考虑球磨机的比功率、衬板磨损速率和颗粒破碎概率对磨矿参数进行了优化。主要内容如下： (1)了解了离散元方法的计算思想和软件发展现状,介绍了离散元仿真中常用的接触模型,掌握了接触参数、时间步长的确定方法。 (2)对球磨机内的物料运动规律尤其是抛落运动规律进行了研究,计算得出了最佳转速范围并给出了常用球磨机有用功率的计算公式。 (3)对起动过程磨矿动力学进行了研究；建立了含有矿石的大型球磨机的离散元模型,分析了起动过程中物料运动状态和力矩的动态变化规律；结合正交试验方法,基于稳定运转时的力矩和功率,分析了球磨机顺利起动需要的力矩和功率的最大值。与理论计算结果对比表明当物料偏转角度小于休止角时,仿真结果和理论计算结果是比较吻合的,离散元方法能够准确的预测起动过程中力矩的动态变化过程。当起动时间大于3 s时,起动过程中球磨机的最大阻力矩和最大功率都不超过其稳定运转时力矩和功率的2倍。 (4)以球磨机的比功率、颗粒的破碎概率、衬板-物料碰撞消耗的能量所占的比例作为磨机工作性能的评价指标,采用均匀设计方法建立了仿真方案进行仿真,结合回归分析技术对影响磨机工作性能的主要工作参数(转速率、填充率、衬板设计参数)进行了多目标优化。同优化前的结果相比,球磨机的比功率和颗粒的破碎概率都有明显增加,而衬板的磨损速率显著下降；研究结果还表明,填充率对比功率和衬板磨损都有显著影响,是影响磨机工作性能的最重要的因素。 (5)结合Hertz理论和介质运动分析,考虑了球磨机中的冲击磨矿和磨剥磨矿作用,建立了磨矿性能的评价函数,对填充率和转速率进行了优化。优化结果与离散元仿真分析结果比较吻合,进一步验证了离散元模拟结果的可靠性,也说明了离散元模拟的优势。 本文的研究可为大型球磨机的设计提供参考依据,对提高磨矿效率、降低磨机能耗和钢耗具有重要意义。