球磨机离散元模拟分析与结构优化

目前处理量较大的铁矿石处理线采用自磨机+球磨机+顽石破碎机磨矿流程。分流器将球磨机排料一分为二，分别给入两台振动筛进行处理。球磨机处理量大，排料口料流水平速度高，在高差作用下产生竖直向下的速度，使排料口的料流又具有一定的回转速度，三种速度合成后进入出料分配器，对出料分流器产生很大的冲击。在已经投运的生产线中，存在分流不均匀的情况，因此在后续的生产线建设中，希望每台筛子有两个独立的工作单元，两台筛子是四个独立的工作单元，这就要求分流器将球磨机的排料经过两级分流均匀地分成四份。为了满足此工作要求，并缩短设计流程，采用离散元方法对料流运动进行模拟，得出料流轨迹，用于指导出料分流器的设计。

1、计算模型的建立

（1）离散元方法介绍

离散元方法的基本原理是通过添加力学性质、物料性质和其他物理性质来建立颗粒模型，在模拟过程中把生成的数据储存到相应的数据库中，可以细致地模拟和分析颗粒行为，并为颗粒、流体和机械力学的结合提供了一个平台。在没有可靠理论研究工业生产设备中物料运动行为的情况下，通过离散元方法模拟物料运动，能大大节省试验费用，并更好地解决实际工程问题。

（2）建模与简化

根据现场工况要求，初步建立出料分流器的三维模型，通过球磨机模型评价其磨矿性能。出料分流器由上罩、中罩和下罩3部分组成，彼此间用螺栓连接。为了减少计算工作量，没有建立球磨机的三维模型，但是与物料运动有关的排料口必需建模，用以模拟物料因磨机的转动而在圆周方向上的回转运动，这也是导致分料不均的直接原因。计算机模拟速度的快慢取决于参与计算的模型的大小和物料颗粒的多少，为了减少模型单元网格划分数量，将出料分流器上不与料流接触的上罩隐去。

（3）物料粒子的组成

矿石密度3500kg/m³，球磨机转速9.6r/min，不考虑料浆中水分的影响，结合现场实际情况，颗粒的初始轴向流速设定为1m/s。

2、离散元模拟分析与结构优化

设计的初期结构，通过模拟分析可以看出，物料首先在正下方从无到有慢慢堆积，按物料的堆积角往两边扩散，在靠近中间的2个孔下落，根本没有到达末级的分料平台，分料极不均匀。另外在计算到第14s时，顶部已超过二级导料板，并在导料板的上侧溢出。因受软、硬件的影响，计算速度比较慢，算到14s大约用了10d时间。为了节约时间，停止了本次计算模拟，但是根据这个趋势可以判断，随着时间的积累，物料还会向高处堆积，进而有导致磨机堵料的可能。

二级导料板作用不大，还会加剧物料堆积，故将其去掉，并在下箱底部增加导料斜板。根据此次模拟还发现，物料首先按堆积角填充出1个等腰三角形的料堆，后面的落料再滑落到分料孔，在模型修改时将底板突起，突起中间放在料流经挡料板改向后的侧下方，以减少模拟前期颗粒堆积的时间。第2次的模拟计算速度确实有了明显提高，计算第7s时大约用了2d的时间。物料在中间堆积的情况得到了改善，被末级的分料平台分流，但是分流不均；另外物料的下落偏聚于右侧的下料孔，左侧通过的物料相对较少，从导料板的上侧还有少量的物料溢出。

根据改进后的模拟发现，挡料板下的物料堆积与底板突起中间位置无关，只与物料的堆积角有关，故对结构再进行调整优化。加高一级导料板并向中间方向延伸，目的是把落料的中间向分流器的中间移动，在导料斜板的两侧增加竖起导流板，将物料集中在下箱的下料孔中间部位；另外增加L形三级导料板，改变料流方向，使其落到末级的分料平台。物料没有在一级导料板的上侧溢出，左右两侧的落料趋于对称，一次分流均达到要求；物料经过L形三级导料板后基本均匀地分成4份，二次分流达到要求。通过对分流器的模拟分析，可以验证此设计结构能满足工作要求，缩短了设计周期，提高了工作效率。

在出料分流器的箱体内合理增加各级导料板，改变物料的运动规律，使落料均匀合理，满足出料分流器的工作要求。通过EDEM模拟分析，可以获得各个时刻的料流轨迹及速度分布，从而优化各级导料板的设计，获得其合理的形状、尺寸和放置位置，为设备的优化提供了更准确的资料。经过优化后的球磨机出料分流器已成功应用于铁矿工艺，现场反馈良好。