球磨機錐面分級襯板分級作用仿真分析

球磨機錐面分級襯板分級作用仿真分析

1923年，美國人要求總統(tǒng)申請錐形表面活性劑的專利申請。此后，有幾種類型的輔助板材，如角螺釘旋轉式輔助板材、雙螺旋式輔助板材、螺旋壓條輔助板材以及由上述形式發(fā)展的各種類別的輔助板材。分級襯板在國外已經(jīng)普遍使用,但在國內(nèi)由于傳統(tǒng)觀念和實際生產(chǎn)條件的限制,還沒有廣泛應用,而是采用隔倉板對研磨體進行粗略分級。隔倉板的使用存在以下諸多問題:(1)由于隔倉板的存在,增加了磨機通風阻力,造成通風不良,細粉不能及時排出,產(chǎn)生過粉磨現(xiàn)象,同時,磨內(nèi)物料流動阻力增大,料流速度減慢,對圈流磨特別不利;(2)隔倉板占據(jù)了一定的空間,使磨機的有效粉磨空間減小;(3)隔倉板前后,特別是雙隔倉前,是粉磨低效區(qū)域;(4)采用隔倉板會增加磨機的質(zhì)量及制造成本。另外,在同一倉內(nèi),研磨體的軸向分布也是雜亂無章的,往往還會出現(xiàn)反分級現(xiàn)象。要想對研磨體沿磨機軸向進行嚴格的分級,就要使用分級襯板。對于一端進料、另一端出料的多倉球磨機,要求細磨倉靠近入料端多為破碎,而靠近出料端多為粉磨。因此,為了提高粉磨效率,減少過粉磨,需要對研磨體從入料端到出料端依其直徑大小順序排列。使用分級襯板就可以實現(xiàn)這一目的。分級襯板有許多形式,但由于錐面分級襯板設計簡單,加工方便,分級可靠,被廣泛應用。錐面分級襯板結構形式也有多種多樣,而各種形式襯板的分級效果也有所差異,因此,對比研究各種錐面分級襯板的分級效果很有必要。筆者將針對幾種形式的錐面分級襯板,利用離散元仿真軟件EDEM對其分級效果進行仿真,選出分級效果最佳的分級襯板,為實際生產(chǎn)選用提供參考。1大鋼球的移動如圖1所示,當運動的鋼球群與襯板表面接觸時,球在襯板上滾動,作用在球上使其沿斜面向前下方運動的力F是重力的分力mgsinα,正比于鋼球半徑的3次方,即當球向前方行進時,受到前方物料和球的阻擋,其阻力P和球的投影面積成正比,即與鋼球半徑的平方成正比,即式(1)除以式(2),有因此,對于同一材質(zhì)的鋼球,直徑大的鋼球的F/P比直徑小的鋼球大,說明大球更容易克服阻力向前移動。雖然小球也有向前移動的趨勢,但由于其向前移動的動力小于大球,故被擠向后面。這樣隨著磨機的運轉,大鋼球便移向進料端,而小鋼球則被推向出料端,使鋼球按其大小均勻地沿磨機軸向分布,由進料端逐漸向出料端減小,于是研磨體得到了合理的分級。另外,錐形襯板錐臺的低端比高端的回轉半徑大,在同等轉速下,處于低端的研磨體相對處于高端的研磨體其離心力就大一些,施于襯板的正壓力(即摩擦力)也大一些,大研磨體有向傳遞能量大的區(qū)域移動的趨勢。因此,在每一個錐臺小區(qū)域內(nèi),大研磨體均存在向錐形襯板低端(即磨機入料端)移動的傾向,從而導致研磨體的正向分級。2雙斜組合分級襯板參閱相關文獻資料,筆者選取幾種典型的錐面分級襯板進行研究。普通單斜度分級襯板包括7°和20°兩種;雙斜度分級襯板包括7°和20°組合及9°和23°組合兩種;平斜組合分級襯板(丹麥FLS建材公司的斜面分級襯板)包括一段平襯+一段斜襯和兩段平襯+一段斜襯兩種。幾種襯板的縱向截面如圖2所示。3dem的應用EDEM是英國DEM-Solution公司的產(chǎn)品之一,是世界上第一個基于最先進的離散元方法(DEM),專門用來模擬、分析顆粒系統(tǒng)的通用CAE軟件。筆者應用EDEM2.3對球磨機的運動狀態(tài)進行仿真,研究錐面分級襯板對磨介的分級作用。3.1襯板及仿真參數(shù)設置為了模擬球磨機錐面分級襯板對磨介的軸向分級作用,取球磨機筒體部分為分析對象,對其進行簡化,忽略不影響對比仿真分析結果的因素。仿真選φ900mm×1800mm球磨機進行研究,用SolidEdge建立筒體襯板三維模型。在建模時,將各塊襯板看成一體,不考慮各塊襯板之間的縫隙,并將筒體和襯板建成一體,把襯板跟筒體的機械聯(lián)接看成是剛性聯(lián)接,這是因為在EDEM中跟顆粒接觸碰撞的機械設備邊界被假設為剛體。進入EDEM操作界面,在Globals選項卡下輸入仿真所需的全局參數(shù),包括定義接觸模型、重力加速度大小和方向以及材料物理性質(zhì)參數(shù),這些參數(shù)將在后面的模型建立過程中用到。磨介和襯板的物理性質(zhì)參數(shù)依據(jù)有關設計手冊選取。為了增加襯板的提升力,靜摩擦系數(shù)選的稍大些。接觸模型選用HertzMindlin無滑動接觸模型,該模型是以Mindlin的研究成果為理論基礎,具有準確而高效的計算性能。在Particle選項下定義原型顆粒。該仿真模型中加入φ20mm、φ40mm和φ60mm3種不同直徑磨球。選擇顆粒材料后,點擊CalculateProperties可自動計算出各直徑顆粒的質(zhì)量、體積和慣性矩。在Geometry中導入之前建立的三維CAD模型。EDEM可接受的數(shù)據(jù)格式有IGES、STEP、Pro/E、STL和Parasolid等。筆者將SolidEdge文件轉換為STEP格式后導入。創(chuàng)建和磨機筒體同軸、直徑和長度比筒體稍小的虛擬圓柱體(Cylinder)作為“顆粒工廠”。用Polygon建立兩個實體平面,設置其位置使其分別貼合在磨機筒體兩端,作為筒體端蓋。在Details中定義體積屬性、材料屬性、虛實類型及質(zhì)心數(shù)據(jù)。在Dynamics中指定筒體的動態(tài)特性(轉速)。球磨機臨界轉速按下式計算工作轉速取n=nc×75%=33.5r/min,具體仿真參數(shù)如表1所列。在Factories子面板下創(chuàng)建“顆粒工廠”,即定義仿真中顆粒產(chǎn)生的位置、時間及方式。仿真中添加3000個φ20mm、1350個φ40mm和800個φ60mm顆粒。定義3個顆粒工廠,用以生成這3種類型顆粒,顆粒生成速度5000個/s,開始生成時間默認(1×10-12s),顆粒初始速度為零,即自由落體,生成位置隨機。模型建完后進入求解器模塊Simulator,為了對比說明各襯板分級效果,6組仿真的參數(shù)設置應該相同。設置仿真固定時步為瑞利時步的30%。瑞利時步是DEM仿真準靜態(tài)微粒集合中時間步長在理論上的最大值,瑞利時步由下式計算式中:R為顆粒半徑;ρ為顆粒密度;G為剪切模量;σ為泊松比。EDEM可根據(jù)建立的模型自動計算瑞利時步,只需輸入其百分數(shù),一般取20%~40%?？偡抡鏁r間10s,數(shù)據(jù)寫出頻率設為0.01s,網(wǎng)格邊長設置為20mm,理想的網(wǎng)格邊長的大小為最小粒子半徑的2倍。仿真參數(shù)設置完畢即可進行計算,共計算6組模型。3.2分級錐度和粒徑的選擇為了評價各錐面分級襯板的分級效果,需規(guī)定分級效果的測定方案:從磨頭到磨尾分5點取樣,分別計算5個樣品的研磨體個數(shù)和質(zhì)量,再算出各點平均單個研磨體質(zhì)量。而在EDEM中可利用后處理模塊中的網(wǎng)格單元組(GridBinGroup)來實現(xiàn)。網(wǎng)格單元組把模型區(qū)域劃分成網(wǎng)格,每個網(wǎng)格是一個單元。網(wǎng)格單元組的使用可以讓用戶僅對整個仿真模型中的一個網(wǎng)格內(nèi)的粒子的相關數(shù)據(jù)進行分析,進出網(wǎng)格的所有粒子和幾何體的信息都被記錄。本仿真沿軸向將磨機分成5段。在網(wǎng)格屬性編輯對話框中選擇提取顆粒平均質(zhì)量,在顯示選項對話框中選中并顯示在仿真畫面中,并選中實時更新,這樣就可以在仿真動畫回放中實時看到磨機每段粒子平均質(zhì)量的變化。仿真結果截圖如圖3所示。由于篇幅所限,僅列出雙斜分級襯板(9°~23°)的仿真結果截圖。試驗數(shù)據(jù)如表2所列。從表2和圖4可以看出分級效果排序:雙斜分級襯板(9°~23°)>平斜組合(一段平襯+一段斜襯)>雙斜分級襯板(7°~20°)>普通錐面分級襯板(20°)>平斜組合(兩段平襯+一段斜襯)>普通錐面分級襯板(7°)。其中,雙斜分級襯板(9°~23°)的分級效果最好。一般情況下,錐面斜度越大,分級效果越好,這是因為大斜度錐面對球產(chǎn)生的前進力大。但在實際生產(chǎn)中,半錐角一般取7°~23°,隨著磨機規(guī)格的增大,半錐角也應取的大些。也有取更大的,比如FLS公司用的平斜組合襯板的半錐角取30°。但是隨著錐度增大,磨倉有效容積也相應減小;另外,半錐角過大,襯板高、低端的高差過大,前一圈襯板擋住后方磨球的前進,導致分級效果降低。因此,應當在綜合考慮有效研磨空間和較好的分級效果的基礎上選擇一個最佳分級錐度。與同錐度的單斜度分級襯板相比,雙斜度分級襯板在保證足夠大的分級錐度和良好的分級效果的基礎上,減小了襯板高、低端的高差,增大了磨倉的有效容積。4edem軟件的應用,實現(xiàn)了理論模型和試驗數(shù)據(jù)的互通球磨機破磨過程是典型的顆粒系統(tǒng)行為,對于這樣的復雜系統(tǒng)進行試驗研究,不僅成本高、周期長,而且有些數(shù)據(jù)很難測得(如顆粒的運動軌跡、速度分布及顆粒間碰撞的細節(jié)等)。應用離散元軟件EDEM,將顆粒的形狀、材料屬性、設備的幾何結構及運動學特性等諸多因素考慮進來,并引入經(jīng)典碰撞模型,通過仿真計算,可獲得邊界和顆粒的各種動力學數(shù)據(jù)。(1)闡述了錐面分級襯板的分級機理,選取幾種形式的襯板進行離散元仿真分析,可直觀地看出球磨機內(nèi)介質(zhì)群的運動狀態(tài),精確計算出磨倉各段內(nèi)磨球的平均質(zhì)量。通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理,得出各錐面分級襯板的分級效果折線圖。從折線圖上可以直觀地看出各襯板分級效果的差異。(2)綜合分析之后,選出了對磨球分級效