基于離散元磨損模擬的半自磨機(jī)提升器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

江西耐普礦機(jī)股份有限公司 江西上饒 334000

磨損問(wèn)題在能源、化工、冶金及建筑等工業(yè)中極為常見(jiàn)，比如各類粉磨機(jī)械(包括自磨/半自磨機(jī)、球磨機(jī)和塔式磨機(jī)等)均須面對(duì)嚴(yán)峻的磨損問(wèn)題，由此造成設(shè)備運(yùn)行效率降低，維護(hù)耗時(shí)增加，從而大大增加了礦物處理成本。以半自磨機(jī)為例，襯板的磨損會(huì)顯著影響物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而降低粉磨效率；頻繁更換襯板則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停車，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)前廣泛使用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行破碎機(jī)械的設(shè)計(jì)制造，以降低其使用和維護(hù)成本[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外使用離散元方法對(duì)磨機(jī)等設(shè)備中的物料運(yùn)動(dòng)情況及磨損情況進(jìn)行了很多分析：杜強(qiáng)[2]用離散元法計(jì)算了襯板表面的顆粒運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)分析及襯板制造工藝角度著手，綜合分析了襯板磨損原因，并對(duì)提高襯板使用壽命提出了相應(yīng)的對(duì)策；田秋娟[3]應(yīng)用離散元軟件 EDEM 對(duì)球磨機(jī)襯板進(jìn)行分析，得出比功率、襯板磨損和顆粒破碎概率等是球磨機(jī)襯板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮的因素。

筆者通過(guò)建立半自磨機(jī)礦漿提升器的磨損模型，對(duì)其快速磨損區(qū)域的磨損原因進(jìn)行分析，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 常用礦漿提升器物料分布及磨損分析

礦漿提升器是半自磨機(jī)的重要部件之一，其主要任務(wù)是將進(jìn)入其內(nèi)部的礦漿排出至出料口。目前大部分半自磨機(jī)出料端是直形輻射狀結(jié)構(gòu)。某φ10.37 m 半自磨機(jī)礦漿提升器如圖1 所示，其磨損情況如圖2 所示?？梢钥闯鎏嵘髦挥械撞恳粋?cè)被磨穿，其余部位余量還很多，造成了極大的浪費(fèi)。

圖1 直形礦漿提升器Fig.1 Straight slurry lifter

圖2 直形礦漿提升器使用 2 年后的磨損情況Fig.2 Wear state of straight slurry lifter after service for two years

離散元法在近幾年得到了快速的發(fā)展及應(yīng)用，在選礦設(shè)備中的應(yīng)用也逐漸增多，如用來(lái)模擬磨機(jī)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。為了找到導(dǎo)致直形礦漿提升器局部劇烈磨損的原因，筆者首先利用 Rocky DEM軟件對(duì)該半自磨機(jī)直形礦漿提升器內(nèi)的物料分布進(jìn)行模擬，磨機(jī)工況參數(shù)如表1 所列。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，模擬中使用可以通過(guò)格子板/排礫板的φ65、φ45、φ40 mm 的球形顆粒進(jìn)行計(jì)算，顆粒的生成速度按半自磨機(jī)臺(tái)效 960 t/h 來(lái)生成，未考慮礦漿的影響。提升器及顆粒的物性參數(shù)如表2 所列，接觸參數(shù)如表3 所列[4]。

表1 半自磨機(jī)工況參數(shù)Tab.1 Operating parameters of semi-autogenous grinding mill

表2 提升器及顆粒的物性參數(shù)Tab.2 Physical parameters of lifter and particles

表3 接觸參數(shù)Tab.3 Contact parameters

采用周期性的顆粒工廠，在礦漿提升器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中生成顆粒，磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 10.01 r/min，20 s 時(shí)顆粒分布如圖3 所示。計(jì)算區(qū)域內(nèi)的顆粒數(shù)量如圖4 所示。

圖3 直形礦漿提升器內(nèi)的物料分布Fig.3 Material distribution in straight slurry lifter

從圖4 可以看出計(jì)算區(qū)域內(nèi)顆粒數(shù)量的變化情況，在礦漿提升器轉(zhuǎn)動(dòng)的 3 圈內(nèi)，提升格內(nèi)的顆粒不斷積累，且相鄰 4 個(gè)提升格內(nèi)的顆粒數(shù)量相差比較大，其中沿最長(zhǎng)的肋板返回到提升格內(nèi)的物料最多，這是由于攜帶現(xiàn)象造成的。所謂攜帶現(xiàn)象是由于礦漿提升器沒(méi)有足夠的能力在一個(gè)排料周期內(nèi)將其中的頑石和礦漿全部排出而引起的。攜帶現(xiàn)象導(dǎo)致礦漿提升器磨損急劇加快，特別是底部的沖擊磨損，增加了磨機(jī)內(nèi)載荷，阻礙了物料通過(guò)格子板進(jìn)入礦漿提升器。

圖4 計(jì)算區(qū)域內(nèi)的物料數(shù)量Fig.4 Amount of materials in calculation area

攜帶現(xiàn)象至少有以下 2 個(gè)缺點(diǎn)：

(1)降低了磨機(jī)排料系統(tǒng)的效率，這是因?yàn)橛行╊B石或是礦漿仍滯留在礦漿提升器中并再次返回到礦漿提升器的底部，限制了礦漿提升器在下一個(gè)周期的排料能力。

(2)正是因?yàn)閿y帶現(xiàn)象的存在，使物料沿著礦漿提升器的側(cè)壁回滑到其底部，因此加速了礦漿提升器的磨損，同時(shí)由于出料端內(nèi)圈與外圈提升器的等分不同，導(dǎo)致提升格的磨損不均勻，磨損分析如圖5 所示。其中與內(nèi)圈提升器肋板相連的外圈提升器(4 號(hào))磨損最為嚴(yán)重，即如果內(nèi)圈提升器是n等分，就有 1/n個(gè)外圈提升器磨損是最嚴(yán)重的，其次是 3 號(hào)，1 號(hào)和2 號(hào)磨損相當(dāng)?，F(xiàn)場(chǎng)磨損情況與模擬情況基本一致。圖2 即為 4 號(hào)位置的磨損情況，1、2、3 號(hào)位置的礦漿提升器沒(méi)有磨穿的現(xiàn)象。

圖5 直形礦漿提升器相鄰 4 個(gè)提升格磨損分析Fig.5 Wear analysis on four lifting grids adjacent straight slurry lifter

2 礦漿提升器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)直形礦漿提升器的上述缺點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為使出料端排料更通暢，采用弧形或是折線形的礦漿提升器。針對(duì)該半自磨機(jī)，設(shè)計(jì)弧形礦漿提升器，如圖6 所示。

圖6 弧形礦漿提升器Fig.6 Arched slurry lifter

圖7 弧形礦漿提升器內(nèi)的物料分布Fig.7 Material distribution in arched slurry lifter

采用與直形礦漿提升器相同的參數(shù)，弧形礦漿提升器內(nèi)的物料分布模擬如圖7 所示。由圖7 可見(jiàn)，進(jìn)入礦漿提升器內(nèi)的物料基本被排出，沒(méi)有再返回到提升格內(nèi)，即弧形結(jié)構(gòu)基本消除了攜帶現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)的弧形礦漿提升器底端未見(jiàn)沖擊磨損也證實(shí)了這一點(diǎn)。提升器在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，物料在生成的同時(shí)不斷被排出，弧形提升器每一圈物料都排出到提升器外；而直形提升器因?yàn)閿y帶現(xiàn)象，每一圈提升器內(nèi)的物料無(wú)法排完，返回到提升器中造成物料的積累，故 3 圈后直形提升格中的物料質(zhì)量和平均數(shù)與弧形提升格中的質(zhì)量和平均數(shù)差別巨大。

在礦漿提升器轉(zhuǎn)動(dòng)第 3 圈時(shí)，直形與弧形礦漿提升器內(nèi)物料質(zhì)量對(duì)比如表4 所列。從表4 可以看出：直形礦漿提升器相鄰 4 個(gè)提升格內(nèi)物料的質(zhì)量極其不均勻，物料最多的比最少的多 50%；而弧形礦漿提升器相鄰 4 個(gè)提升格內(nèi)物料的質(zhì)量基本相同，且都比直形礦漿提升器內(nèi)的質(zhì)量少，這就必然會(huì)減少對(duì)提升格的磨損，使其壽命更長(zhǎng)。

表4 直形與弧形礦漿提升器內(nèi)物料質(zhì)量對(duì)比Tab.4 Comparison of straight and arched slurry lifter in inside material mass

弧形礦漿提升器磨損模擬分析如圖8 所示。“Mean Shear Power”表示磨損的程度，弧形提升器的最大磨損量是直形提升器的 9.1%，且各個(gè)礦漿提升器之間磨損比較均勻，比直形礦漿提升器磨損要小得多。

圖8 弧形提升器相鄰 4 個(gè)提升格磨損分析Fig.8 Wear analysis on four lifting grids adjacent four arched slurry lifter

弧形礦漿提升器在該半自磨機(jī)上應(yīng)用至今已有 2 a 時(shí)間，磨損情況如圖9 所示，提升器表面磨損厚度小于 5 mm，底部未見(jiàn)明顯的沖擊磨損，與模擬中的磨損位置一致，相較于原來(lái) 2 a 的壽命，預(yù)計(jì)壽命可提高 8～10 倍。

圖9 弧形礦漿提升器的磨損情況Fig.9 Wear state of arched slurry lifter

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)礦漿提升器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基本消除了攜帶現(xiàn)象，減少了礦漿提升器內(nèi)的物料數(shù)量，而且使每個(gè)提升格內(nèi)的物料分布更加均勻，使得礦漿提升器的使用壽命得以提高，節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(1)由于攜帶現(xiàn)象導(dǎo)致直形礦漿提升器磨損不均勻，其中 4 號(hào)外圈礦漿提升器磨損最為嚴(yán)重，且提升器底部有嚴(yán)重的沖擊磨損。

(2)通過(guò)將提升器直形結(jié)構(gòu)改成弧形后，基本消除了攜帶現(xiàn)象，礦漿提升器的磨損變得均勻。模擬中弧形提升器的最大磨損量是直形提升器的 9.1%，考慮到腐蝕等因素的影響，弧形礦漿提升器的壽命預(yù)計(jì)為直形礦漿提升器的 8～10 倍?，F(xiàn)場(chǎng)弧形礦漿提升器已使用了 2 a，其磨損非常輕微。

(3)直形礦漿提升器、弧形礦漿提升器實(shí)際磨損位置與模擬結(jié)果一致，故筆者所使用的磨損模擬方法可以定性判斷各個(gè)位置的磨損程度，從而指導(dǎo)磨機(jī)襯板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合襯板的排布等。是否可以定量評(píng)估磨損，還需要與實(shí)際使用情況進(jìn)行對(duì)比。