基于磨矿动力学与离散元分析的磨矿介质优化实验研究

肖庆飞, 孙博远, 金赛珍, 武煜凯, 王梦涛. 基于磨矿动力学与离散元分析的磨矿介质优化实验研究[J]. 矿产保护与利用, 2025, 45(1): 28-38. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.08.019
引用本文: 肖庆飞, 孙博远, 金赛珍, 武煜凯, 王梦涛. 基于磨矿动力学与离散元分析的磨矿介质优化实验研究[J]. 矿产保护与利用, 2025, 45(1): 28-38. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.08.019
XIAO Qingfei, SUN Boyuan, JIN Saizhen, WU Yukai, WANG Mengtao. Grinding Medium Optimization Based on Grinding Kinetics and Discrete Element Analysis[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2025, 45(1): 28-38. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.08.019
Citation: XIAO Qingfei, SUN Boyuan, JIN Saizhen, WU Yukai, WANG Mengtao. Grinding Medium Optimization Based on Grinding Kinetics and Discrete Element Analysis[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2025, 45(1): 28-38. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.08.019

基于磨矿动力学与离散元分析的磨矿介质优化实验研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金面上项目(52374269);矿冶过程智能优化制造全国重点实验室开放基金(BGRIMM−KZSKL−2023−2);院青年科技创新基金项目(04−2335)
详细信息
    作者简介: 肖庆飞(1980—),男,安徽宿松人,博士,教授,从事碎磨理论研究,E-mail:13515877@qq.com
    通讯作者: 王梦涛(1994—),男,河南汝南人,博士,讲师,主要从事碎磨理论与难处理矿产资源综合利用研究,E-mail:Wang.mt@foxmail.com
  • 中图分类号: TD453

Grinding Medium Optimization Based on Grinding Kinetics and Discrete Element Analysis

More Information
  • 采用磨矿动力学与离散元法(DEM)模拟仿真分别研究了钢球与钢段作为磨矿介质对多粒级矿石破碎效果及能量利用率的影响,并以此为基础在大红山铁矿三选厂细磨作业开展了工业实验研究。实验结果表明:与钢段相比,钢球作为磨矿介质时,对粗粒级破碎速率更大,磨矿产品中+0.15 mm含量降低了0.98百分点,−0.074 mm含量提高了5.66百分点;DEM模拟仿真分析发现钢球的运动状态较钢段更为活跃,钢球方案中用于矿石破碎能量的占比为65.41%,钢段方案为61.29%,钢球方案用于矿石破碎的能量占比较钢段方案高4.12百分点,钢球方案用于破碎矿石的有效能量利用率更高;将钢球作为磨矿介质用于大红山铁矿三选厂后,旋流器溢流−0.074 mm含量由74.00%增加至81.71%,提升了7.71百分点,单位钢耗由0.63 kg/t降为0.57 kg/t,降低了9.52%,单位电耗从11.46 kW·h/t降至 10.13 kW·h/t,下降了11.61%。通过磨矿动力学得出钢球、钢段级配方案,并通过DEM软件模拟仿真验证了钢球方案的磨矿效果要优于钢段,工业实验验证了模拟仿真结果的可靠性。

  • 加载中
  • 图 1  粒度特性曲线(a—旋流器给矿;b—旋流器沉砂;c—旋流器溢流;d—球磨机排矿)

    Figure 1. 

    图 2  球磨机筒体结构模型

    Figure 2. 

    图 3  不同尺寸钢球对不同粒级铁矿石的破碎行为(a—Ф50 mm钢球;b—Ф40 mm钢球;c—Ф30 mm钢球;d—Ф20 mm钢球)

    Figure 3. 

    图 4  不同尺寸钢球下给矿尺寸对特定粒级破碎率的影响(a—Ф50 mm钢球;b—Ф40 mm钢球;c—Ф30 mm钢球;d—Ф20 mm钢球)

    Figure 4. 

    图 5  不同尺寸钢段对不同粒级铁矿石的破碎行为(a—D×L 45 mm×50 mm;b—D×L 35 mm×40 mm;c—D×L 30 mm×35 mm;d—D×L 20 mm×25 mm)

    Figure 5. 

    图 6  不同尺寸钢段下给矿尺寸对特定粒级破碎率的影响(a—D×L 45 mm×50 mm;b—D×L 35 mm×40 mm;c—D×L 30 mm×35 mm;d—D×L 20 mm×25 mm)

    Figure 6. 

    图 7  不同介质方案下颗粒运动状态(a—钢球;b—钢段)

    Figure 7. 

    图 8  不同介质方案下颗粒碰撞能谱图

    Figure 8. 

    图 9  工业实验期间钢球消耗

    Figure 9. 

    图 10  工业实验期间钢球消耗

    Figure 10. 

    表 1  DEM 模拟中使用的材料参数

    Table 1.  Material parameters used in the DEM simulations

    名称钢球矿石
    密度/( kg·m−3)78003100
    泊松比0.30.38
    剪切模量/Pa7.00×10104.60×1010
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    表 2  离散元仿真接触参数

    Table 2.  Contact parameters in discrete element simulation

    颗粒模型恢复系数静摩擦系数滚动摩擦系数
    钢−钢(钢球、衬板)0.70.40.01
    矿石−钢(钢球、衬板)0.50.50.01
    矿石−矿石0.30.80.01
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    表 3  球磨机介质级配

    Table 3.  Ball mill media gradation

    粒级/mm 给矿
    产率/%
    扣除−0.2 mm后
    待磨产率γ/%
    钢球
    尺寸/mm
    钢段
    尺寸/mm
    比例/%
    +2 4.33 12.85 50 45×50 15
    −2+0.45 9.06 26.88 40 35×40 25
    −0.45+0.3 15.78 46.82 30 30×35 45
    −0.3+0.15 4.54 13.45 20 20×25 15
    −0.15 66.30 —— —— —— ——
    合计 100.00 100.00 —— —— 100
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    表 4  球磨机钢球方案及钢段方案磨矿效果综合指标对比

    Table 4.  Comprehensive index of grinding effect of ball mill steel ball scheme and steel cylpebs scheme /%

    名称钢球钢段
    粗级别γ+0.15 mm0.471.45
    可选级γ−0.15+0.019 mm74.9176.85
    过细级γ−0.019 mm24.6221.70
    γ−0.074 mm86.0980.43
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    表 5  不同介质类型碰撞能量统计

    Table 5.  Collision energy statistics

    碰撞类型
    介质−矿石 介质−衬板 矿石−矿石 介质−介质 矿石−衬板 碰撞总能量
    钢球/J 3913.38 168.14 281.29 1689.71 360.71 6413.23
    占比/% 61.02 2.62 4.39 26.35 5.62 100.00
    钢段/J 2454.63 101.25 203.34 1317.87 259.56 4336.65
    占比/% 56.60 2.33 4.69 30.39 5.99 100.00
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    表 6  溢流细度统计

    Table 6.  Overflow fineness statistics

    时间 质量浓度/% 溢流细度/% 处理量/(t·h−1)
    实验前 —— 74.00 330.00
    2021.07 38.54 81.95 325.50
    2021.08 40.09 81.69 343.97
    2021.09 39.00 82.22 336.43
    2021.10 39.07 82.24 337.95
    2021.11 43.47 79.06 341.12
    2021.12 42.70 81.03 342.87
    2022.01 39.20 83.57 332.87
    2022.02 39.41 81.91 341.01
    平均 40.19 81.71 337.72
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出版历程
收稿日期:  2024-05-31
刊出日期:  2025-02-15

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