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半工业磨机和工厂规模磨机的应用中矿浆升降机流量 建模研究

2017-11-09来源:中国矿冶网点击数:0次
半工业磨机和工厂规模磨机的应用中矿浆升降机流量 建模研究

摘要

一般来说,过去的工作重点是从提高磨机产量方面来检测磨机荷载、磨机功率及壳体升降机的设计。相反,只有当量的文章提到使用矿浆升降机来运输细粒矿浆。我们通过一系列实验室规模试验、高速摄影和计算流体动力学建模展示了矿浆升降机的流体动力学。另外,还对安赛乐米塔尔的蒙特 - 赖特的自磨卸料流的流量行为进行了检查。为了提高磨机的生产量,根据壳体和矿浆升降机的设计对磨机进行了全面的模拟和工厂规模研究。考虑到磨损寿命和占据容量有限,对于矿石微粒破碎来说,壳体升降机存在最优限制。另外,根据计算流体动力代码和离散元代码进行了矿浆升降机的研究。模拟结果表明其中含有大量的矿浆遗留。主要原因在于矿浆升降机通道受到了一定的区域限制。同时通过停工研究结果可以确定,磨机内存在大量的矿浆淤积。因此,如果可以重新设计矿浆升降机,那磨机的生产量就会显著增加。相应的,也需要矿浆升降机的卸料部分进行重新设计。首先,本文对设计卸料机的实验室规模研究和工厂规模研究工艺进行了建模。另外,还通过计算流体动力学方法预测了7个不同的磨矿调查结果中的卸料流量。最后,描述了重新设计卸料机前后的蒙特-赖特磨矿流程的磨矿性能。同时,重点强调了在设计矿浆升降机时流体流动模拟的有效性。
关键词
半自磨机;矿浆升降机;离散元方法;计算流体动力学;
导言
在半自磨机的磨矿实践中,例行停工,评估矿浆淤积情况。淤积会导致占据主要荷载质量的细粒矿浆无法卸载,常常使用的补救办法就是在短期内或长期内通过重新设计矿浆升降机来改变磨机的格子篦开口面积。磨机卸料端矿浆升降机的固有性质是它能从泵池的相反方面卸载矿浆:通过磨机的离心重力卸载矿浆。以10rpm的转速操作9.76m (32英尺)的磨机,矿浆升降机单一通道中的矿浆以不到1.5秒的时间卸载至耳轴中,横扫过叠加在磨机上方钟圈的12点位置。因此,当磨矿速度低时,需要更大卸料容量,相应的,磨机能耗也更小。因此,唯一适用于操作员去影响矿浆卸料的设计变量是格子篦的开口面积,从长期来看,就是重新设计矿浆升降机和卸料圆锥。基于操作半自磨机的实践经验来设计矿浆升降机。Latchireddi和Morrell (2003a)描述了磨球荷载质量中矿浆形态的演变。在半工业试验磨机中得到的矿浆形态对于理解格子篦矿浆接触区域是至关重要的。这些作者(2003b)指出,没有矿浆升降机的磨机,如仅有格子篦的卸料磨机的卸载量是有矿浆升降机磨机的卸载容量的2-3倍。因此,矿浆升降机很明显有着很大的流动阻力。但是开口端仅有格子篦卸载磨机,磨机粒度超过4.85m (16ft)。因此,在磨机操作过程中,使用格子篦开口面积来增加磨机生产量的主要资源。该方法常常获得一点成功或者完全没有成功。下一步就是将矿浆升降机变成弯曲或者扭曲的升降机。但是,该方法存在一定的问题,即磨机是单向分布的。这些问题突出了理解矿浆升降机配件通道内流体流动和通过耳轴进行的相应卸料的需要。
在利用离散元方法成功设计了半自磨机、自磨机及球磨机后,一个以流体物理为基础的矿浆升降机流量模型。该方法论首次由Mishra和Rajamani (1992)提出,在过去的19年间得到了很大的改进。矿浆升降机的流量由矿浆流和砾石流构成。目前,这种建模可用的模拟方法结合了平滑粒子流体动力学和离散元方法。该方法的结构复杂,需要许多专家和强大的计算能力来模拟出工厂规模磨机。在本文中,我们提出了使用CFD来理解矿浆升降机的流动特性。使用该方法的含义是砾石流与周围的矿浆的运动方式几乎相同,这一点是否是真实的。但是,通过CFD得到的理想结果弥补了砾石流建模的不足。有很必要的话,离散元模型还可用于砾石流。首先,展示了一个直径为92cm的磨机中的矿浆升降机的单一径向通道的实验室流体流量配制,然后使用CFD进行相应的预测。在实验过程中,不增加或减少流量。其次,展示了相同实验室规模的矿浆升降机的实验结果,再通过CFD确认。再次,应用相同的CFD方法,在7个工业规模磨机下通过卸料流来进行预测。需要引起注意的是,该工厂规模数据库是由2006年半自磨会议中Powell和Valery提供的。另外,对ArcelorMittal 蒙特-赖特操作的半自磨机进行了离散元模型和CFD分析。同时,还展示了对设计进行了修改后,在原始设计中对该通道进行的模拟。最终,在设计修改前后讨论了工厂的相关数据。
文献调查研究
在本章节中,我们回顾了一些文献,这些文献对于理解矿浆升降机的动态流量是非常关键的。Mokken等人 (1975)是第一批意识到当重力加速超过了离心力时,磨机只会有一点改变。因此,矿浆降落至中心卸料中。Songfack和Rajamani (1999)研究了磨球和岩石质量中矿浆的配置,使用的方法是被称为标记和细胞法的CFD方法。Morrell和Kojovic (1996)指出,矿浆池产生的反扭矩会减少磨机能耗,从而导致磨矿生产量下降。Rowland和Kjos (1975) 早在1975年就意识到,矿浆升降机的荷载运输能力对磨机生产量的影响远远大于格子篦齿缝面积。截至今天,荷载运输能力不存在明确的模型。Royston (1999, 2005)通过平衡矿浆升降机内部的单一微粒上施加的压力,对径向和弧形矿浆升降机的流量进行了描述。这一简单的分析表明,当磨矿速度很高时,径向矿浆升降机的微粒不能作为卸料排出,相反的是,它会流回至矿浆升降机中。基于根据具体的工业规模实验数据,Morrell和Latchireddi (2000)发表了容积流量、磨机设计和操作变量的实证模型。该模型目前是可用于评估矿浆升降机设计的最好方法。但是,在停工调查研究中,其中一种模型常数需要通过数据进行校准。Powell 和Valery (2006) 对7台不同的自磨机和半自磨机进行了具体的停工调查研究。在后一章节中,使用该数据库来验证此阶段的CFD预测结果。这些作者担心矿浆会出现淤积,原因是循环荷载过多,砾石端口不够。他们认为,表面放电速度(定义为格子篦开口面积除以容量磨机卸料流速)是评估矿浆升降机效率和或效力的重要参数。在三个维度模拟过程中,对破碎和矿浆流的模拟得到了进一步地改进。Morrison和Cleary (2008)描述了“虚拟破碎机器”,该模拟编码对滚筒磨机的破碎和矿浆运输进行了模拟。在对格子篦槽和矿浆升降机的矿浆和砾石进行模拟时使用了离散元方法和光滑粒子流体力学方法。Cleary等人(2006)具体描述了通过滚筒磨机的磨球和矿石微粒荷载的孔隙度的矿浆流基础。通过达西阻力定律和Kozeny-Carman渗透率模型,使用光滑粒子流体力学对微粒进行了具体的耦合离散元模型分析。
计算流体动力学
在矿浆升降机这一章节中对自由表面流量进行了处理,如,在通道内部的矿浆有大量的自由表面模式,两堵墙之间存在晃动。通道流出量的水力梯度取决于重力和离心力。通道内部的矿浆变形是由于通道墙的转动,因此,卸料流取决于通道出口平面的矿浆产生的压力。
CFD程序包,如液态版本6.3能够解决这类自由表面问题。通过增加某种体力顺利地处理Navier Stokes湍流动能方程,在这种情况下即为离心力和重力。其中一个提供矿浆升降机通道和流体属性的三维几何 (密度和粘度)。首先,将该通道放置在6点钟的位置,矿浆位于磨机环的边缘。该流体的运动类型设置为“活动网格”,根据磨矿速度分配角速度。墙体设置为有转动运动的“移动墙”。然后,在磨机圆的不同位置获取构台流体配置。在所有计算中,根据相应的矿浆密度和矿浆粘度,将该流体作为牛顿流体进行处理。
矿浆术语
如果读者能够理解这里使用的术语是非常有用的。矿浆升降机配件包括一系列的径向墙,这些墙体分割了所有通道并指导矿浆流入耳轴中。我们提到了经常出现在这里的单一通道。这些通道常与直角呈15度倾斜(磨机卸料端圆锥角)。然后,使其弯曲并与耳轴相接。发生弯曲的配件被称为“卸载机”(常常有一个圆锥来阻止其泄漏至另一个通道)。磨机常常以逆时针方向旋转。钟圈是指在这里使用钟表上的小时来表示磨圈周围通道的位置。
半工业规模无流量单一矿浆升降机实验
在使用径向和弯曲矿浆升降机时,将通道的8点钟至5点钟方向填满。在这个位置上,矿浆的高度就相当于磨机内部的矿浆高度。在每个通道上,从这个位置将矿浆提升。然后,在12点钟的方向将通道中的矿浆清空。停留在9点钟的矿浆转入至下一个磨机的变化中。
在实验室实验过程中,使用了各方都封闭的单一通道。由Plexiglass构成的矿浆升降机通道高40cm、顶部宽21cm,底部宽5cm,深3cm。该闭路通道的容量为1300cm3。在实验过程中,矿浆升降机通道没有流量流入或流出。在对磨机进行改革时,得到了填入通道内的流体容量的自由表面配置。在不同的容量填充量和磨矿速度下进行了大量的实验。使用了甘油与水容量比为65%、70%和75%的混合溶液作为流体。混合物的粘度分别为28mPa.s (cp), 40mPa.s和70mPa.s,模仿细粒矿石矿浆 (Shi, Napier-Munn, 2002)。实验流体配置和预测(CFD)配置如图1和图2所示。通过检查,我们得知,实验和计算的液相形状一致。
甘油溶液 (75%),350m3 流体容量

甘油溶液 (65%),650m3 流体容量
甘油溶液 (65%),800m3 流体容量
图2-甘油溶液不同浓度的实验&CFD流量配置
磨矿速度为34 rpm (磨矿临界速度的77%)
半工业规模流量单一矿浆升降机实验
下一个逻辑步骤是当矿浆升降机内有流量流出时确认其预测能力。在相同的Plexiglass矿浆升降机中,在底部的大部分区域钻井,得到两个直径为1cm的孔洞,当它扫过12点钟时,卸料孔洞上获得了最大压力。当填充量分别为650cm3,500cm3及350cm3时分别进行实验,同时将磨矿速度保持在26.2, 32, 34和 35 rpm. 通过一个T形管将两个孔洞相连接,通过一个单一的橡胶管便利地连接卸料。在这些实验中,将填满的通道控制在6点钟的位置,同时以所需的磨矿速度运行磨机。在磨机进行第一次改革时,准确地收集粒子流。图3和图4展示了流体从矿浆升降机通道卸载时进行CFD预测时的实验流体配置。
 

图3-当磨矿速度为26.2rPm时,对350cm3的甘油溶液(85%) 进行实验和CFD卸载配置工作

甘油溶液(85%),当磨矿速度为26.2rpm时的流体容量为650cm3
甘油溶液(85%),当磨矿速度为34rpm时的流体容量为650cm3
甘油溶液(85%),当磨矿速度为34rpm时的流体容量为350cm3
图4-当磨矿速度为26.2rPmt 34rpm时,对650cm3t和350cm3的甘油溶液(85%)进行实验和CFD卸载配置工作

CFD计算通过出口端展示了流体卸载容量。卸载率取决于出口端平面的压头,平面压头又取决于流体上体力的混合。表1展示了与实验和预测卸载率相关的卸载实验的具体情况。
表1-记录的一次磨机改革中的卸载容量 (cm3): 实验结果和CFD预测
 

使用CFD成功完成了预测,从而在这种情况下获取大部分流量的物理现象。在这个前提下,相邻通道和磨机卸载之间不存在什么关系,即磨圈内通道数量乘以一个通道的卸载流体(磨机进行的一次完整改革)。根据这一流量估计值,可以估计出容量的卸载率。
工厂规模磨机中磨机卸载率的CFD预测结果
在实验室规模磨机中对自由表面和卸载率进行成功预测后表明可以通过CFD算法正确地对流量物理现象进行建模。因此,为了预测工厂规模磨机,使用了相同的方法。在此,本文感谢Powell和Valery (2006)提供的7套数据。在本章节中,我们对这些数据库进行了预测,并在ArcelorMittal 蒙特-赖特的半自磨机收集了自己的数据(加拿大魁北克费尔蒙)。在对矿浆升降机流量进行建模时,有一部分流量通过格子篦槽流入矿浆升降机中,由于卸载端角度呈15度角,有一部分流量通过格子篦槽回流,还有一部分通过卸料机流出。目前,由于磨机内的矿浆堆积,我们使用水力梯度研究了矿浆升降机的流入量。CFD容易处理回流,但是目前我们不考虑这方面。计算程序如下:对磨机中的荷载运动进行离散元模拟分析,评估磨球/岩石质量中的矿浆浓度。假设将矿浆升降机的单一通道填满,直至磨机中矿浆的深度达到6点钟的区域。然后,应用CFD将通道从6点钟的区域旋转至整个改革后的逆时针方向。在9点钟区域没有卸载的矿浆容量为延期容量。假设矿浆的延期容量达到了脚趾区域 (在7-8点钟的方向),通道内的矿浆水平与矿浆池的水平一致。另外,当通道回到6点钟的区域时,磨机内的矿浆流出或从矿浆升降机流回,平衡两者的水平。因此,在磨机的下一次改革时,通道内的矿浆流重复之前的改革。这一简化的方案有助于停止复杂的矿浆升降机模拟,使用CFD对单一通道进行模拟。正如之前提到的一样,在一次磨机改革时,单一通道的卸料流量乘以通道的总量除以时间,就得出了磨机流出的净卸料量.Los Bronces (2 个情况), Navachab, Morila OC (2 个情况)使用CFD对磨机进行的估计,铅/锌/银矿石半自磨机,UG2自磨机和ArcelorMittal 蒙特-赖特自磨机。表2和表3展示了每个磨机设计的具体情况及操作变量,同时表4对调查研究结果与CFD预测结果进行了对比。特别地,将磨机调查研究过程中卸载流量与CFD的预测结果进行了对比。
图5展示了每台磨机中单一通道的流体配置-Los Bronces (10.12*4.72m 或 34*17 ft),UG2自磨机(5.92 × 7.1 m 或 20 × 24 ft),及蒙特-赖特(9.76 × 3.5 m 或 32 × 11.5 ft)。将单一通道叠加在一个钟圈上,说明流体沿着耳轴流动的动态情况。
 

非常令人惊讶的是,将多重通道矿浆升降机配件的模拟问题简化至单一通道模拟问题是非常合理的。原因在于,犹他大学增加的矿浆流入模型和矿浆流回模型能够全方面地对矿浆升降机进行设计和评估。CFD估计值在很大程度上受到矿浆密度的影响,但是偶尔也受到矿浆粘度的影响,从而证实,混乱的动量传递会影响自由表面流量。
表2-工厂规模数据,Powell %Valery (2006)
    Los
Bronces    Los
Bronces    Los
Bronces    Morila
OC
直径    8.26    10.12    7.8    7.8
长度    4.189    4.722    5.47    5.47
耳轴直径    2.0    2.2    2.170    2.170
旋转速度    11    10    11.35    11.35
矿浆升降机深度    0.375    0.464    0.27    0.27
矿浆升降机数量    30    32    13    13
格子篦开口面积    5.44    11.17    5.2    5.2
矿浆密度    1670    1700    1722    2000
固体含量    65.4    67    66    79


    Navachab    UG2
AG mill    Lead/Zinc/Silver
AG mill
直径    4.72    5.92    8.37
长度    9.49    7.1    4.03
耳轴直径    1.195    1.45    2.0
旋转速度    17.3    13.2    11
矿浆升降机深度    0.3    0.2    0.3
矿浆升降机数量    8    20    14
格子篦开口面积    2.45    1.45    3.8
矿浆密度    2280    2401   
固体含量    73.1    79.6    82.6
表3-ArcelorMittal 蒙特-赖特自磨机数据
    Mont-Wright* AG
直径    9.76
长度    3.5
耳轴直径    2.13
旋转速度    10
矿浆升降机深度    0.419
矿浆升降机数量    36
格子篦开口面积    7.5
矿浆密度    1500
固体含量    51
*犹他大学和PolyCorp工作人员收集的调查研究数据
表4-卸载结果:发表数据 (Powell & Valery (2006)) vs CFD预测结果
          Powell & Valery调查研究数据    CFD预测
Los    841/919    754/824
Los    1322/1505    1152/1312
Morila    424/482    354/403
Morila    403/640    371/586
Navachab    306/425    224/311
UG2    221/401    230/417
Lead/Zinc/Silver    600/1190    536/1063
Mont-Wright*    1630/1273    1507/1153
*犹他大学和PolyCorp工作人员收集的调查研究数据
ARCELORMITTAL 蒙特-赖特的矿浆升降机设计调整操作
在对铁矿石进行操作时共有6条自磨机磨矿线。磨矿卸料通过初级和二级筛分。在一个大型螺旋坝上加工筛下粒子流。该9.76 × 3.5 m (32 × 11.5 ft)的自磨机配置了72个高低不平的升降机。矿浆升降机配件包括的36个通道融合至18个通道,并通过磨机卸料机连接至耳轴中。矿浆升降机通道的深度为419mm (16.5英寸),除了外围周长缩小至150mm深。深度的改变取决于外围周长垂直格子篦,而不是格子篦内部的15度倾斜角。但是,值得注意的是,矿浆升降机为一个弯曲的矿浆升降机配件,比径向矿浆升降机的优势要大。对磨机进行的停工调查研究结果清楚地表明,磨机外围周长降低了矿浆的运输能力。在对整个磨矿流程进行详细地研究后得到,矿浆淤积是由于卸载面积过窄,矿浆升降机42 × 23 cm (16.5 × 9  英寸)通道出口连接至卸载机上。作为配件的卸料机将矿浆升降机的底流部分转移至耳轴中。除了CFD模拟,使用离散元编码PLSoft-3D研究了蒙特-赖特自磨机中的弯曲升降机。在CFD计算过程中,使用AUTOCAD精确地建造弯曲的矿浆升降机尺寸。特别是通过卸载至耳轴的卸料弯曲混合该通道,在AutoCAD软件里小心地进行复制。另外,使用球形粒子填满通道。但是,微粒的离散元模型性质设置为矿浆的离散元模型性质,模仿矿浆的运动。图6展示了通过磨矿圈顶部的矿浆升降机移动过程中的四个连续位置。在12点钟的位置时,粒子流进入到卸料机的出口平面,有大量的粒子流通过一小片区域移动。在进行CFD计算时,相同区域中的粒子流向上跳跃,当通道扫至9点钟的区域时,就会运输大量的粒子流。事实上,主要通道内流动的粒子流阻止了通道内的粒子流流出。结果是,在从12点钟的区域转移至9点钟的区域的1.5秒内通道无法卸载。这显著表明,较大的卸载区域会迅速耗尽矿浆。同时,在较大的出口区域会进行离散元模型模拟。PolyCorp集团,Elora, Ontario对卸料机进行了设计(专利申请中)。卸料区域扩张至71*35.5 cm (28*14英寸),即使总面积增长了264%。图7展示了使用新卸料机对矿浆通道进行的离散元模型模拟。很容易看到,在对磨机进行一次改革时,整个矿浆粒子流会从通道中流出。
图6-在 ArcelorMittal蒙特-赖特自磨机中对弯曲的矿浆升降机的离散元模型模拟进行旧版设计
 

ArcelorMittal蒙特-赖特自磨机的矿浆升降机设计和安装
32英寸的自磨机配备了一个弯曲的矿浆升降机,其模拟情况如图6所示。离散元模型和CFD模拟结果表明,增加区域会增加通道内的流量(图7和图5)和磨矿生产能力。图7展示的新的卸料机于2010年12月安装。在安装之前,平均新鲜进料率为950tph,其中包括平均进料率为1060tph的磨机的回收固体流率。本文作者的宗旨在于对比安装新卸料机前后的磨矿生产量。不幸地是,这两个事件都不需要进行这一对比。在第6生产线的带秤于2011年1月得到校准,同时,该工厂还对加工每台磨机的磨矿卸料的螺旋坝进行了扩张或者重新设计。操作员无法增加自磨机的吨位,原因在于螺旋坝不够用。
表5-6台自磨机的操作趋势数据(蒙特-赖特)
 

表5展示了平均生产量(每小时

的公吨数)及能耗(每条生产线每吨的千瓦时)。1月至2010年10月为第6生产线矿浆升降机设计发生改变前,2011年为改变后。6条生产线的平均能耗相比去年增加了0.196kWh/mt。但是在第6生产线中,能耗仅增加了0.12kWh/mt。第5生产线和第6生产线从相同的矿石堆收集到了进料,因此对这两者进行对比是非常有意义的。工厂操作员一致认为,第6生产线的平均吨位/小时是不正确的,原因在于带秤是偏离校准数的。因此,如果我们假设第6生产线至少能产生1029mt/h的量,那能耗即为3.58kWh/t。在正确校准带秤后,第5生产线的能耗为3.88kWh/mt,第6生产线的能耗为3.58kWh/mt。换句话说,减少的0.3kWh/mt相当于3.88kWh/mt的7.7%。第6生产线的能耗相比去年减少了7.7%。因此,我们得出一个结论,矿浆升降机移出了过量的矿浆,能耗较低。通过这一结论得知,在未来的工作中,可以提高吨位。从现在开始,即从2011来6月开始,螺旋坝扩张工程将应用于铁矿。但是在2011年6月,PolyCorp的工作人员对磨机进行了停工工作,并未发现任何淤积现象。本文作者诚挚地希望能迟早完成第6生产线的带秤及螺旋坝扩张计划,从而能在2011年9月之前得到对比数据。
结论
该手册展示了通过径向和弯曲矿浆升降机评估容量流量的方法论。一个可行的方法就是对矿浆升降机通道内的矿浆流进行CFD模拟。为了确认该方法,使用一台92cm的磨机进行实验室规模试验。通过无流量和有流量试验,使用CFD计算,成功地预测了该流体的自由表面配置。Powell和Valery (2006)公布的数据使用了相同的CFD方法论对7台不同的磨机进行了预测,结果非常一致。最后,重新设计了ArcelorMittal 蒙特-赖特自磨机的弯曲矿浆升降机。现有矿浆升降机的离散元模型模拟结果表明,通道与卸料机连接的平面受限会导致矿浆继续存在。因此需要重新设计卸料机,使流量区域的面积增加264%。2010年12月安装了卸料机。但是由于工厂螺旋扩张计划是2011年1月才正式启动的,目前还没有有效的安装后期结果。我们的目的是在将来能用上这些数据,但是由于2011年6月进行了安装后的停工调查,结果显示磨机内没有发生淤积。
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责任编辑:[中国矿冶网]

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