РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ

Пыталев И.А.¹, Попова Т.М.², Прохоров А.А.³

¹Кандидат технических наук, доцент,  Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова, ²Магистр, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова, ³Директор ООО «РИФ-Микромрамор»

РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ

Аннотация

В представленной научной статье, основанной на анализе методик определения оптимальных параметров измельчения материалов в шаровых мельницах, были условно обозначены этапы развития и реализации этих методик. Выделяются и описываются характерные особенности каждого этапа.

Ключевые слова: шаровая мельница, моделирование, оптимизация параметров.

Pytalev I.A.¹, Popova T.M.², Prokhorov A.A.³

¹PhD in engennering, associate professor of Magnitogorsk State Technical University the name of Nosov G.I. ²Master of 1 course Magnitogorsk State Technical University the name of Nosov G.I., ³Director of LLC"RIF-Mikromramor"

POST-EVENT ANALYSIS OF METHODS OF DETERMINATION OF OPTIMUM PARAMETERS OF CRUSHING OF MATERIALS IN BEAD MILL

Abstract

In this research article, based on the analysis of methods for determining the optimal parameters of crushing of materials in ball mills, were conditionally designated stages of development and realization of these methods. Were described the characteristics of each stage.

Keywords: bead mill, modeling, parametric optimization.

В период плановой экономики первостепенное значение отдавалось достижению установленных объемов производства. При этом в большинстве случаев вопросы качества производимой продукции и затрат на ее производство были второстепенны. Именно в этот период, с целью достижения заданных темпов индустриализации страны в эксплуатацию, были введены месторождения с высоким содержанием полезного компонента и низким коэффициентом вскрыши, что обеспечивало приемлемые показатели их разработки и переработки полезного ископаемого. В настоящее время большинство крупных по запасам месторождений отработаны, либо находятся на стадии доработки, а вновь вводимые в эксплуатацию месторождения имеют низкую инвестиционную привлекательность [1], несмотря на более эффективные современные способы добычи и технологии переработки полезных ископаемых. Вместе с тем в себестоимости переработки полезного ископаемого основная доля затрат приходится на процесс измельчения [2]. В основном на горно-обогатительных предприятиях РФ и стран СНГ используются барабанные шаровые, стержневые мельницы и мельницы самоизмельчения. При этом наибольшее распространение получили барабанные шаровые мельницы.

Решение вопроса снижения энерго- и материалоемкости процесса измельчения является актуальной научно– практической задачей, поскольку снижение затрат на несколько процентов позволит значительно повысить эффективность переработки полезного ископаемого. Определение оптимальных параметров режимов измельчения обеспечивает минимизацию материало– и энергоемкости данного процесса.

В результате анализа существующих методик определения оптимальных параметров измельчения условно выделены 3 основных этапа развития и реализации методик определения оптимальных параметров процесса измельчения:

1. Физическое моделирование, конец 19–начало 20 в. (барабанная шаровая мельница была создана в 1665 г. [2]. Принцип действия шаровой M. известен c начала 18 в. Первая роликовая мельница была изобретена Шранцем в Германии в 1870 г.. Барабанные мельницы применяются c 80-x гг. 19 в., широко распространены c 1910 г.. [3]) ;
2. Математическое моделирование (середина 20 в.) [4];
3. Имитационное моделирование (конец 20 в.) [4].

Необходимо отметить, что существующие на сегодня методики определения оптимальных режимов измельчения, выбора формы мелющих тел и формы барабана и других параметров направлены на их определение с учетом нескольких критериев (высокая степень помола, низкий износ мелющих тел и др.) при значительном количестве допущений и упрощений.

Первый этап. Основная идея методик заключается в физическом моделировании процессов измельчения материалов в лабораторных установках. Основными методиками являются:

1) методики имитации замкнутого цикла заключаются в измельчении порционного количества материала и взятии проб через определенные промежутки времени и рассеивании их на ситах. К этим методикам относятся: методика с постоянными периодами измельчения [5], методика с постоянными циркулирующими нагрузками и методика профессора С.Е.Андреева, отличается от предыдущих тем что, при постоянной массе загрузке соотношение между составляющими выдерживаются в каждом цикле таким, какое получилось бы в условиях непрерывного процесса [6];

2) методика Бонда [6]. Основана на его теории, наряду со следующими требованиями: постоянная загрузка шаров, замкнутый цикл, естественное питание, возможность использования показателей для различной степени измельчения, установившийся режим работы мельницы по завершении испытаний и воспроизводимость результатов. Эти требования подбирались с тем, чтобы смоделировать в лаборатории в максимальном приближении режим работы крупных промышленных установок;

3) методика института механобрчермет построена на основе разработанных положениях моделирования процессов измельчения [7]. Расчеты производятся при помощи ЭВМ. Недостатком этой методики служит то, что используется ряд допущений при выполнении расчета (по эффективности классификации, по циркулирующей нагрузке промышленной мельницы, мощности и т.п.), а так же то, что данная методика имеет ряд условностей и недостаточно четкий принцип моделирования условий промышленной мельницы;

4)методика московского химико–технологического института [6]. Теоретические основы этой теории заключаются в том что, вновь образованная поверхность прямо пропорциональна затраченной энергии. По описанным ранее методикам оценка в целях упрощения делалась по выбранному отверстию сита, а по данной методике показатель новой поверхности рассчитывался через известную массу фракций;

5) методика измельчения в открытом цикле заключается в проведении опытов измельчения в открытом цикле по физико – механическим свойствам руд черных и цветных металлов и некоторых искусственных материалов. По результатам опытов рассчитаны уравнения для каждого материала, т.е. составлены уравнения кинетики измельчения исследованных продуктов. Благодаря установленным зависимостям определяется коэффициент измельчаемости исследуемого материала по отношению к эталонной при нужной степени измельчения, т.е. при заданном содержании расчетного класса в измельченном продукте [6].

Основным достоинством всех методов первого моделирования является возможность вариации параметров модели. Но для осуществления данных вариаций  необходимо построение новых моделирующих установок. Физическое моделирование имеет основной недостаток, который заключается в том, что невозможно получить дискретные данные. Для того чтобы получить полный спектр данных необходимо применять поправочные коэффициенты, либо же производить интерполяцию или аппроксимацию полученных значений, что в итоге приводит к расхождению результатов моделирования и практических данных.

Второй этап. Метод математического моделирования с использованием ЭВМ. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических условий), определяющих процесс изменения состояния системы в зависимости от ее параметров, выходных сигналов, начальных условий и времени [4].

Основным достоинством этого метода моделирования является возможность осуществления больших вычислений при помощи ЭВМ, что говорит о более высокой точности, чем у методов первого этапа, а также о низких энергозатратах и времени на получение результатов. Так же математическое моделирование позволяет выделить для исследования наиболее важные свойства объекта, абстрагируясь от несущественных его характеристик. Недостатком моделирования является запрограммированность результата свойствами самой модели (в рамках выбранного метода). В процессе создания модели в ее структуру явно или неявно может быть заложен ожидаемый результат (гарантирующий подтверждение проверяемой гипотезы) [8].

Все методики данного этапа носят аналитический характер и к концу 20 века не могли быть реализованы с требуемой степенью точности. Ограничение использования данных методик явилось следствием отсутствия достаточно мощных ЭВМ

Третий этап. Благодаря тому что, большая часть сложных вычислений выполняется при помощи ЭВМ, увеличивается число факторов влияющих на процесс измельчения, кроме того, в данных моделях автоматически учитываются ранее принятые допущения и упрощения (коэффициент трения, сила тяжести и т.д.) и отсутствует необходимость обосновать критерии подобия. Главной задачей компьютерного моделирования становится имитация процесса в соответствии с заданными характеристиками (скорость движения, шаровая нагрузка, коэффициент трения и т.д.).

Основная сложность сводиться к заданию среды, моделированию изменения измельчаемой породы (среды измельчения) по причине того что, среда находится в постоянном изменении ( меняется гранулометрический состав).

Создание таких моделей может быть реализовано с использованием продуктов Ansys, Inventor Professional, Simulation Mechanical и аналогичных им. При создании модели последовательность действий сводится к заданию геометрических параметров, параметров работы установки и параметров среды, а также к установлению связей между элементами. Результатом является наглядное представление процесса измельчения и получение значения всех составляющих сил в пространстве и времени с учетом их величин и направления. Помимо этого, фиксируется точная траектория движения каждого шара, отслеживается изменение скорости в заданный промежуток времени.

Имитационное моделирование на современном этапе дает возможность визуализации процесса измельчения материалов, оптимизировать параметры на любом этапе моделирования.

Таким образом, с момента начала широкого применения барабанных шаровых мельниц постоянно происходит процесс усовершенствования режимов работы, оптимизации форм барабана и мелющих тел с целью снижения энерго- и материалоемкости, а также себестоимости процесса. Имитационное моделирование учитывает факторы, которые на предыдущих этапах принимались в качестве допущений и упрощений. Каждый этап достигал максимума своей эффективности, в результате чего  был замещен более прогрессивными способами. Сегодня есть возможность реализации имитационного моделирования, как эффективного способа на высокопроизводительных компьютерах.

Литература

1. Мельников И.Т., Пыталев И.А., Корнилов С.Н., и др. Снижение энергоёмкости гидротранспорта хвостов обогатительного производства железорудных горно-обогатительных комбинатов //Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2012. №2 (38). С. 15-19
2. Цыгалов А.М., Елисеев Н.И., Гришин И.А. Дробление, измельчение и подготовка сырья к обогащению. Учеб.пособие. – Маг-к: МГТУ, 2005. С. 3
3. Мельница [электронный ресурс]. – Электронные текстовые данные. – Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_geolog/3017/Мельница, свободный
4. Нечаевский, В.А. История развития компьютерного имитационного моделирования // Эл.журнал Системный анализ в науке и образовании – 2013. - №2
5. Олевский В.А. Размольное оборудование обогатительных фабрик. М: Госгортехиздат, 1963. С.41
6. Биленко Л.Ф. Закономерности измельчения в барабанных мельницах. М.: Недра, 1984. С.67,70, 76-78,84-86
7. Шинкоренко С.Ф. О разработке единой методики определения измельчаемости руд. – Горный журнал.-1978.-№4-стр.62-66
8. Новосельцев В.Н. Достоинства и недостатки математического моделирования  // Фундаментальные исследования. – 2004. – № 6 – стр. 121-122

References

1. Mel'nikov I.T., Pytalev I.A., Kornilov S.N., i dr. Snizhenie jenergojomkosti gidrotransporta hvostov obogatitel'nogo proizvodstva zhelezorudnyh gorno-obogatitel'nyh kombinatov //Vestnik MGTU im. G.I.Nosova. 2012. №2 (38). S. 15-19
2. Cygalov A.M., Eliseev N.I., Grishin I.A. Droblenie, izmel'chenie i podgotovka syr'ja k obogashheniju. Ucheb.posobie. – Mag-k: MGTU, 2005. S. 3
3. Mel'nica [jelektronnyj resurs]. – Jelektronnye tekstovye dannye. – Rezhim dostupa: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_geolog/3017/Mel'nica, svobodnyj
4. Nechaevskij, V.A. Istorija razvitija komp'juternogo imitacionnogo modelirovanija // Jel.zhurnal Sistemnyj analiz v nauke i obrazovanii – 2013. - №2
5. Olevskij V.A. Razmol'noe oborudovanie obogatitel'nyh fabrik. M: Gosgortehizdat, 1963. S.41
6. Bilenko L.F. Zakonomernosti izmel'chenija v barabannyh mel'nicah. M.: Nedra, 1984. S.67,70, 76-78,84-86
7. Shinkorenko S.F. O razrabotke edinoj metodiki opredelenija izmel'chaemosti rud. – Gornyj zhurnal.-1978.-№4-str.62-66
8. Novosel'cev V.N. Dostoinstva i nedostatki matematicheskogo modelirovanija  // Fundamental'nye issledovanija. – 2004. – № 6 – str. 121-122