Разработка подхода для предиктивной модели процесса измельчения в шаровых мельницах с учетом износа футеровки
Текущее состояние. В современных процессах переработки минерального сырья мельницы полусамоизмельчения (ПСИ) являются основным измельчающим оборудованием. Мельницы ПСИ обладают такими преимуществами, как высокая производительность, большой выход готового продукта и большая степень дезинтеграции. Мельницы ПСИ обладают такими характеристиками, как короткое время пребывания материала, дискретное управление, а также пригодность для крупномасштабного производства по сравнению с другими типами мельниц. Поэтому мельницы ПСИ предпочитают крупные горно-обогатительные комбинаты и все более широко используются в различных отраслях промышленности. Мельница ПСИ характеризуется невысокой скоростью вращения барабана мельницы и большой рабочей нагрузкой, что приводит к очень высокому энергопотреблению при измельчении рудного сырья. На его долю приходится более 80% потребления электроэнергии на предприятии.
Решаемая научная проблема. Установление взаимосвязей между оптимальной скоростью вращения, характером износа футеровки, а также свойств исходной руды с использованием метода дискретных элементов.
Методы исследования. Междисциплинарное использование методов компьютерного моделирования совместно с экспериментальным исследованием по изнашиванию материалов футеровочных плит выбраны в качестве перспективных способов решения проблемы повышенного износа, а также характера измельчения руды. В работе приводятся данные по экспериментальному исследованию процесса изнашивания футеровочных элементов шаровой мельницы и динамическому моделированию процесса ее работы. Описывается последовательность выполнения исследования, обосновывается выбор используемых методов, оборудования и программного обеспечения. С помощью предложенной методики разработана предиктивная модель управления в виде программного приложения, предназначенная для выдачи рекомендации по регулированию оптимальной скорости вращения барабана мельницы.
Детали исследования. Результаты эксперимента отображает диаграмма, представленная на рисунке 1, где приведены сравнительные износостойкости ε анализируемых материалов относительно стали 25L, которая принята за эталон. Материалы расположены в порядке возрастания ε, в сопоставлении с их твердостью НВ.
Рисунок 1 – Сравнительная износостойкость ε и твердость НВ анализируемых материалов
В результате численного моделирования получены «энергетические спектры» предоставляющие данные о том, как энергия передается между частицами при моделировании. Данные о столкновениях, собранные в ходе моделирования, классифицируются по тремя типам энергии, связанных со столкновениями: рассеянная энергия (необратимо преобразованная в другие формы энергия во время столкновения частиц), энергия удара (энергия нормальных усилий при столкновении) энергия сдвига (энергия касательных усилий при столкновении). Полученные спектральные энергетические зависимости характеризуют отношение величины полной удельной мощности к удельной энергии контакта в логарифмическом масштабе.
Рисунок 2 – Зависимость a) и суммарной b) энергии столкновений частиц породы с футеровкой
На основе экспериментальных данных и результатах моделирования разработана предиктивная модель, основанная на современной архитектуре системы управления с использованием преобразователя частоты. Частотный преобразователь, используемый в системе управления оснащен системами скалярного и векторного регулирования, которые могут работать в бездатчиковом режиме и с обратной связью по частоте вращения. Общая структура показана на рис 3.
Рисунок 3 – Структура системы управления
Заключение. Выбор типа и материала футеровки оказывает значительное влияние на процесс измельчения в мельницах ПСИ. В процессе износа футеровки изменится характер движения среды, и, как следствие, изменится скорость измельчения материала и общая энергоэффективность процесса. Кроме того, полученные данные о процессе позволят в будущем рационально планировать и увеличивать интервалы технического обслуживания.
Регулирование скорости вращения мельницы в процессе измельчения с помощью частотного привода будет наиболее рациональным решением. В случае разработанной стратегии управления изменение скорости повышает производительность измельчения, так как увеличивается подъем и последующее падение руды, при условии, что мельница не будет работать до критической скорости.
Предложенная в данной рукописи модель определения оптимальной скорости может быть использована как в качестве консультанта для оператора процесса, так и в качестве части системы управления. Следует отметить, что программное приложение не является универсальным и должно быть адаптировано для каждой мельницы с учетом ее свойств и параметров.