对辊破碎机对钨矿石的层压破碎特性研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.012

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (2): 212-225 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.012

建模、仿真、分析与决策

对辊破碎机对钨矿石的层压破碎特性研究

李洋波^1,^2,³(

),蔡改贫^3,⁴(

),阮辽³

^1.矿冶科技集团有限公司矿物加工科学与技术国家重点实验室，北京 100160
^2.北矿机电科技有限责任公司，北京 100160
^3.江西理工大学机电工程学院，江西赣州 341000
^4.江西省矿冶机电工程技术研究中心，江西赣州 341000

Study on laminated crushing characteristics of W-ore with dual-roller crusher

Yangbo LI^1,^2,³(

),Gaipin CAI^3,⁴(

),Liao RUAN³

^1.State Key Laboratory of Mineral Processing, BGRIMM Technology Group, Beijing 100160, China
^2.BGRIMM Machinery & Automation Technology Co. , Ltd. , Beijing 100160, China
^3.School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
^4.Jiangxi Province Engineering Research Center for Mechanical and Electrical of Mining and Metallurgy, Ganzhou 341000, China

全文: PDF(6231 KB) HTML

摘要：

针对岩石破碎过程的复杂性以及传统仿真模型的局限性——反映替换颗粒群信息少且无法定位替换颗粒群中某一颗粒，使得所模拟的颗粒无法被连续破碎，导致仿真精度较低等问题，提出了通过离散元应用编程接口开发的改进破碎模型——多次替换的颗粒黏结模型（bonded particle model, BPM）。该方法能实现颗粒在破碎过程中的多次连续替换，更加贴近实际破碎过程，可提升仿真精度。基于对辊破碎机的三维模型与参数标定后的钨矿石颗粒群，对破碎机内的钨矿石颗粒群进行层压破碎可视化仿真分析，并结合室内试验研究了对辊破碎机的层压破碎特性，以验证数值仿真的有效性。结果表明：通过仿真得到的钨矿石颗粒受力与破碎速率的关系说明对辊破碎机可实现层压破碎；钨矿石碎后粒径分布误差为0.889~1.940 mm，且碎后粒径分布满足正态分布，说明仿真分析准确且有效。不同粒径配比下的钨矿石层压破碎试验结果表明，颗粒间相互作用力对破碎效率的影响程度大于颗粒低孔隙率。研究结果为进一步提高对辊破碎机的生产效率提供了依据，且所提出的改进破碎模型为物料的破碎研究提供了一种新方法。

关键词： 改进破碎模型; 颗粒黏结模型; 对辊破碎机; 可视化仿真; 层压破碎试验

Abstract:

Aiming at the complexity of rock crushing process and the limitations of traditional simulation models, which reflects the little information about the replacement particle groups and can not locate a particle in the replacement particle groups, resulting in the simulated particles can not be broken continuously and the simulation accuracy is low, an improved crushing model developed by the discrete element application program interface is proposed, which is the bonded particle model (BPM) with multiple replacements. This method realizes the multiple continuous replacements of particles during the crushing process, which is closer to the actual crushing process and can improve the simulation accuracy. Based on the three-dimensional model of dual-roller crusher and the W-ore particle groups after parameter calibration, the visual simulation analysis of laminated crushing of W-ore particle groups in crusher was carried out, and the laminated crushing characteristics of the dual-roller crusher were studied through indoor tests to verify the effectiveness of numerical simulation. The results showed that: the relationship between the force on W-ore particles and the crushing rate obtained through simulation indicated that the dual-roller crusher could achieve laminated crushing; the error of particle size distribution after crushing was 0.889?1.940 mm, and the particle size distribution after crushing met the normal distribution, which verified the simulation analysis was accurate and effective. The laminating crushing test results of W-ore with different particle size ratios showed that the influence of particle interaction on crushing efficiency was greater than that of particle low porosity. The research results provide a basis for improving the production efficiency of dual-roller crusher, and the proposed improved crushing model also provides a new method for the study of material crushing.

Key words: improved crushing model bonded particle model dual-roller crusher visual simulation lamination crushing test

收稿日期: 2022-06-20 出版日期: 2023-05-06

CLC:

TH 11

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51464017);江西省重点研发计划项目(20181ACE50034)

通讯作者: 蔡改贫 E-mail: 2827648047@qq.com;cgp4821@163.com

作者简介: 李洋波（1996—），男，安徽合肥人，助理工程师，硕士，从事岩石碎磨机理研究，E-mail: 2827648047@qq.com, https://orcid.org/0000-0001-9625-6833

	服务
	把本文推荐给朋友
	加入引用管理器
	E-mail Alert
	RSS
	作者相关文章
	李洋波
	蔡改贫
	阮辽

引用本文:

李洋波,蔡改贫,阮辽. 对辊破碎机对钨矿石的层压破碎特性研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 212-225.

Yangbo LI,Gaipin CAI,Liao RUAN. Study on laminated crushing characteristics of W-ore with dual-roller crusher[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(2): 212-225.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.012 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I2/212

表1 钢和钨矿石的材料本征参数

图1 钨矿石颗粒堆积角仿真结果与试验结果对比

表2 钨矿石的接触参数

图2 挤压试验设备

图3 钨矿石挤压破碎结果

图4 多形状钨矿石颗粒的连续破碎模型

表3 钨矿石挤压破碎后的粒径分布 (mm)

图5 离散元Hertz-Mindlin接触模型示意

图6 钨矿石单轴压缩试验结果

图7 单轴压缩仿真过程中钨矿石力链的变化情况

表4 钨矿石颗粒黏结参数设置

图8 钨矿石单轴压缩过程中的应力—应变曲线对比

表5 不同黏结参数下钨矿石应力仿真值与试验值的误差

图9 钨矿石颗粒在对辊破碎机破碎腔中的连续替换过程

图10 钨矿石颗粒团和对辊破碎机辊子的网格划分

表6 仿真分析中钨矿石颗粒的粒径和质量设置

图11 钨矿石颗粒破碎过程可视化仿真

图12 破碎过程中钨矿石颗粒和辊子所受最大压力的变化曲线

图13 某段时间内钨矿石颗粒的破碎信息

参数	数值
$q 0$	73.68
$q 1$	2 752
$q 2$	193.4
$q 3$	-2 316
$q 4$	997.6
$q 5$	-114.9

表7 钨矿石颗粒所受的净作用力与时间的拟合参数取值

参数	数值
$a 0$	3.415
$a 1$	5.029×10⁴
$b 0$	1.245
$b 1$	0.003 16
c₁	-5.028×10⁴

表8 钨矿石颗粒数量与时间的拟合参数取值

图14 钨矿石破碎试验平台及相应工具

图15 钨矿石碎后不同粒径颗粒的占比及质量对比

表9 钨矿石碎后粒径分布拟合参数取值

表10 钨矿石碎后质量分数仿真结果与试验结果的误差

表11 钨矿石入料粒径配比（质量分数)

图16 层压破碎试验用钨矿石原料及其碎后颗粒

图17 不同入料粒径配比下钨矿石碎后的粒度分布

表12 钨矿石入料粒径配比与对应孔隙率

1	SCHWINDIG G. Versuche und Betrachtungen zur Ueberwalzzerkleine rung eines Mahlbettes［J］. Aufbereitungstechnik， 1966， 8： 489-492. SCHWINDIG G. Experiment and research on over-rolling of grinding machine［J］. Processing Technology， 1966， 8： 489-492.
2	李仕亮.阳离子捕收剂浮选分离白钨矿与含钙脉石矿物的试验研究［D］.长沙：中南大学，2010：1-8. LI S L. Research on the separation of scheelite from calcareous gangue minerals by flotation with cationic collectors［D］. Changsha： Central South University， 2010： 1-8.
3	徐长锋，周友行，肖加其，等.海泡石螺旋搅拌磨机最优工艺参数研究［J］.工程设计学报，2022，29（1）：51-58. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.005 XU C F， ZHOU Y H， XIAO J Q， et al. Research on optimal process parameters of sepiolite spiral stirred mill［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2022， 29（1）： 51-58. doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.005
4	SCHOENERT K. A first survey of grinding with high-compression roller mills［J］. International Journal of Mineral Processing， 1988， 22（1/4）： 401-412.
5	RASHIDI S， RAJAMANI R K， FUERSTENAU D W. A review of the modeling of high pressure grinding rolls［J］. Kona Powder and Particle Journal， 2017， 34： 125-140.
6	FUERSTENAU D W， ABOUZEID A. Role of feed moisture in high-pressure roll mill comminution［J］. International Journal of Mineral Processing， 2007， 82（4）： 203-210.
7	TAVARES L M， CHAGAS A. A stochastic particle replacement strategy for simulating breakage in DEM［J］. Powder Technology， 2020， 377（9）： 222-232.
8	YEOM S B， HA E， KIM M， et al. Application of the discrete element method for manufacturing process simulation in the pharmaceutical industry［J］. Pharmaceutics， 2019， 11（8）： 414.
9	GOBBIN F， DE FELICE G， LEMOS J V. Numerical procedures for the analysis of collapse mechanisms of masonry structures using discrete element modelling［J］. Engineering Structures， 2021， 246（11）： 113047.
10	陈兵，燕纪威，尹忠俊，等.基于DEM的高频振网筛多参数优化［J］.工程科学学报，2021，43（6）：852-861. CHEN B， YAN J W， YIN Z J， et al. Multi parameter optimization of high-frequency vibrating screen based on DEM［J］. Chinese Journal of Engineering， 2021， 43（6）： 852-861.
11	POTYONDY D O， CUNDALL P A. A bonded-particle model for rock［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2004， 41（8）： 1329-1364.
12	徐琨，周伟，马刚，等.基于离散元法的颗粒破碎模拟研究进展［J］.岩土工程学报，2018，40（5）：880-889. doi：10.11779/CJGE201805013 XU K， ZHOU W， MA G， et al. Research progress on particle breakage simulation based on discrete element method［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2018， 40（5）： 880-889. doi: 10.11779/CJGE201805013
13	方继松，王珠，熊迅，等.石英玻璃球撞击刚性壁的破碎过程［J］.高压物理学报，2020，34（1）：66-73. doi：10.11858/gywlxb.20190764 FANG J S， WANG Z， XIONG X， et al. Fragmentation process of quartz glass spheres impacting rigid wall［J］. Chinese Journal of High Pressure Physics， 2020， 34（1）： 66-73. doi: 10.11858/gywlxb.20190764
14	江汇.颗粒料压缩破碎仿真-应用与高坝蓄水河谷-库坝变形研究［D］.北京：清华大学，2019：40，85-86. JIANG H. Particle compression breakage simulation-application and dam-valley deformation due to reservoir impounding［D］. Beijing： Tsinghua University， 2019： 40， 85-86.
15	池昌江.准脆性颗粒材料的受压渐进破碎机制研究［D］.北京：清华大学，2015：70-82. CHI C J. Compression induced progressive breakage mechanism of particle beds made of quasi-brittle material［D］. Beijing： Tsinghua University， 2015： 70-82.
16	邵一哲，谭超，董峰.油水两相流超声测试机理仿真建模［J］.中南大学学报（自然科学版），2018，49（4）：987-994. SHAO Y Z， TAN C， DONG F. Modeling of ultrasonic measurement mechanism in oil-water two-phase flow［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2018， 49（4）： 987-994.
17	孙德明.高硬度磁铁矿选矿工艺设备优化及自动化控制研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2017：33. SUN D M. Optimization of mineral processing technology and equipment of magnetite with high hardness and automatic control［D］. Xi’an： Xi’an University of Architecture and Technology， 2017： 33.
18	夏晓鸥，沈政昌，史帅星，等.选矿装备［M］.北京：冶金工业出版社，2019：54. XIA X O， SHEN Z C， SHI S X， et al. Beneficiation equipment［M］. Beijing： Metallurgical Industry Press， 2019： 54.
19	林龙飞.基于多尺度颗粒模型的预磨机破碎能耗分析［D］.赣州：江西理工大学，2016：3. LIN L F. Energy consumption analysis of vertical mill based on multi-scale bonded particle model［D］. Ganzhou： Jiangxi University of Science & Technology， 2016： 3.
20	杨松荣，蒋仲亚，刘文拯，等.碎磨工艺及应用［M］.北京：冶金工业出版社，2013：77. YANG S R， JIANG Z Y， LIU W Z， et al. Grinding process and application［M］. Beijing： Metallurgical Industry Press， 2013： 77.
21	谢仁海，渠天祥，光谟.构造地质学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007：20-30. XIE R H， QU T X， GUANG M. Structural geology［M］. Xuzhou： China University of Mining and Technology Press， 2007： 20-30.
22	BARRIOS G K P， DE CARVALHO R M， KWADE A， et al. Contact parameter estimation for DEM simulation of iron ore pellet handling［J］. Powder Technology， 2013， 248： 84-93.
23	HERTZ H. Ueber die Berüehrung fester elastischer Köerper［J］. Journal für die Reine und Angewandte Mathematik， 1882， 5（91）： 156-171. HERTZ H. On touching solid elastic bodies［J］. Crell’s Journal， 1882， 5（91）： 156-171.
24	MINDLIN R D. Compliance of elastic bodies in contact［J］. Journal of Applied Mechanics， 1949， 16： 259-268.
25	JOHANNES Q. Development of a virtual rock crushing environment based on the DEM with industrial scale experiments for validation［D］. Goteborg： Chalmers University of Technology， 2012： 38-40.
26	DAI Y， CHEN L S， ZHU X， et al. Modelling and simulation of a mining machine excavating seabed massive sulfide deposits［J］. International Journal of Simulation Modelling， 2016， 15（2）： 377-387.
27	MOES N， BELYTSCHKO T. Extended finite element method for cohesive crack growth［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2002， 69（7）： 813-833.
28	岳双杰，范秀敏，马彦军，等.圆锥破碎机虚拟样机参数化建模与仿真分析［J］.中国机械工程，2011，22（22）：2712-2716. YUE S J， FAN X M， MA Y J， et al. Virtual prototype parameterized modeling and simulation analysis of cone crusher［J］. China Mechanical Engineering， 2011， 22（22）： 2712-2716.
29	陈松涛.新型盘辊式破碎机的研制及破碎物料粒度分析［D］.郑州：郑州大学，2012：14. CHEN S T. Development of new type and study on its particle size distribution［D］. Zhengzhou： Zhengzhou University， 2012： 14.
30	张宜，周伟，马刚，等.细颗粒截断粒径对堆石体力学特性影响的数值模拟［J］.武汉大学学报（工学版），2017，50（3）：332-339. ZHANG Y， ZHOU W， MA G， et al. Effect of minimum particle size on mechanical properties of rockfill materials by numerical simulation［J］. Engineering Journal of Wuhan University， 2017， 50（3）： 332-339.

[1]	曹鹏勇, 王建文. 基于STM8S105的智能车结构及控制系统的研究[J]. 工程设计学报, 2020, 27(4): 516-523.
[2]	孙伟, 韩清凯, 于涛, 闻邦椿. 汽车变速器装配线的可视化仿真系统研究[J]. 工程设计学报, 2006, 13(4): 245-248.

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed