对辊破碎机对钨矿石的层压破碎特性研究_李洋波.pdf

第 30 卷第 2 期2023 年 4 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.2Apr.2023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）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0.8891.940 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；层压破碎试验中图分类号：TH 11；TU 45 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）02-0212-14Study on laminated crushing characteristics of W-ore with dual-roller crusherLI Yangbo1,2,3,CAI Gaipin3,4,RUAN Liao3(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)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 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.012收稿日期：20220620 修订日期：20220826本刊网址在线期刊：http:/ 2 期李洋波，等：对辊破碎机对钨矿石的层压破碎特性研究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 0.8891.940 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破碎机作为一种物料破碎设备，被广泛应用于矿产、冶金和建筑等行业，具有重要的研究价值。面对资源紧缺等问题，Schwindig1在20世纪60年代首次提出了层压破碎（料层破碎）理论。经验证该方法可显著提高物料的破碎效率。因此，研究破碎机的层压破碎特性以提高其工作效率，成为当前关注的主要问题。钨矿石的价格为普通煤的40倍、铁矿石的200倍，且钨矿石的普氏硬度系数为1418，而煤矿石与铁矿石的普氏硬度系数分别为 1.8 与610。因此，矿石破碎初选环节的成本差异较大2。本文将以钨矿石为对象，开展破碎机的层压破碎特性研究。目前，许多学者针对层压破碎理论的工程应用展开了研究，并取得了一定的成果。徐长锋等3基于层压破碎理论，通过分离式霍普金森压杆对海泡石的破碎状态进行了描述；Schoenert教授4通过分析得出单颗粒破碎能耗与挤压载荷成正比，即挤压载荷越低，能耗越低的结论；Rashidi等5进一步通过层压破碎试验证明了料层破碎能耗远小于单颗粒破碎；Fuerstenau等6对高压辊磨机的破碎机理进行了探究。在岩土工程仿真中，离散元法的研究和应用已长达30年7-8，现已被众多学者用于对物料散体系统的模拟研究。Gobbin等9基于离散元法开发建立了静力弹塑性（Pushover）曲线程序，用于描述较复杂的物体坍塌现象；陈兵等10通过离散元模型开展了多组物料筛分正交试验，分析了不同振动参数对筛分效率、颗粒分布与物料运输速度的影响规律，并通过实验加以验证且优化了振动参数。颗粒破碎模型的构建方法主要有以下2种。1）颗 粒 黏 结 模 型（bonded particle model，BPM）。BPM于2004年由Potyondy和Cundall等11首次提出。该模型通过颗粒间黏结键断裂来表征颗粒的破碎过程，适用于对单颗粒以及小规模颗粒群的破碎研究，可有效反映颗粒外观、尺寸及力学关系等信息。2）碎片代替模型（fragment replacement model，FRM）。FRM是一种采用小颗粒代替破碎颗粒的模拟方法，适用于大规模颗粒群的破碎研究，可有效反映颗粒群的破碎过程、力学关系等信息，但建模方式复杂，有待改进12。验证仿真模拟的方法分为直接验证与间接验证两种。方继松等13通过采用直接验证方法对比石英玻璃球撞击刚性壁时破碎形态的仿真结果和实验结果，验证了仿真分析的有效性；江汇14、池昌江15、邵一哲等16通过采用间接验证方法对比颗粒碎后粒径分布的仿真结果和实验结果，验证了仿真分析的有效性。综上所述，目前学者在利用离散元法研究物料的层压破碎时，构建的颗粒破碎模型较为简单，所能获取的破碎过程及碎后颗粒信息少，局限性较大，与试验结果的误差较大。此外，基于层压破碎理论研发的破碎机具有受破碎环境限制以及产品投入成本高等劣势17。为此，通过改进物料颗粒破碎模型，进一步探究破碎机的层压破碎特性尤为重要。对辊破碎机具有结构简单、破碎能耗低和处理量大等优势18，可有效降低产品前期投入成本，且破碎壁为弧状曲面，主要破碎方式为挤压与磨削19，故在理论上其存在层压破碎辊面与颗粒、颗粒与颗粒之间的相互作用力使物料破碎，但目前缺乏对其的深入研究，且杨松荣等20认为对辊破碎机中矿石颗粒的破碎仅依靠辊面与颗粒间的作用，即只发生传统的单颗粒破碎。此外，经对辊破碎机破碎后矿石 213工程设计学报第 30 卷 颗粒的粒径范围分布较广，针片率较高。因此，本文基于钨矿石的本征特征，建立符合实际破碎状态的钨矿石外观简化模型，并基于离散元应用编程接口（application program interface,API）进行二次开发，以建立改进的颗粒群破碎模型；然后，通过单轴压缩试验来标定