陶瓷球磨机选题背景与研究意义

导读:在金属矿选矿厂，目前磨矿作业所采用的设备主要是卧式溢流型球磨机，并且在未来二十年来仍然不可能有其它的磨矿设备可以取代它；这主要是因为它具有下述几方面的优点：（1）结构简单；（2）生产平稳、可靠，这对后续作业特别是浮选作业具有十分重要的意义；（3）设备规格可大可小，因此处理量可大可小，适用于各种规模的选矿厂；目前世界上最大的球磨机已达Φ×，有效容积近300m3，处理铁矿石达1000t/h；（4）适应性强，可以处理各种性质的矿石；（5）破碎比大，一般为30~100，产品粒度可粗可细；（6）作业率较高，一般达90%以上，如采用特殊衬板（如磁性衬板或格网衬板），作业率可达98%甚至更高；（7）易于操作调整，便于实现自动控制。

陶瓷球磨机选题背景与研究意义 湖南五菱集团公司的陶瓷球磨机是陶瓷物料间歇湿法细磨设备，对于中碎状态物料细磨有较高的效率，在筒体内加入一定配比的原料、研磨体和水，调节所需的粉碎周期达到理想颗粒细度的料浆。

特别适合于大型建筑陶瓷、日用陶瓷、卫生陶瓷、电瓷等需将物料研细的行业使用。

其主要结构是由驱动装置、筒体、电气控制等部分组成，具有工作平稳、安全可靠、生产效率高、产量大、占地面积小、能耗低等优点，经湖南省轻工厅组织鉴定，其性能达到国内先进水平。

该球磨机是目前陶瓷工业大型的球磨机，市场需求量大，但据用户反馈的意见表明，该球磨机曾部分的出现过盖板与筋板焊接处开裂，轴颈发生断裂，盖板与轴焊接处开裂等现象，由于该公司设计采用的是简单的将球磨机作为简支梁的方法，因而无法判断球磨机的问题是由于设计的原因还是由于焊接工艺上的原因，亦或是用户使用的原因。

受湖南五菱公司的委托，对该球磨机进行整机的有限元计算，分析其强度是否不足，并在强度校核的基础上对一些关键尺寸进行优先改进，本研究课题对提高该大型陶瓷球磨机的工作性能、节约制造成本、拓宽产品市场以及新产品的开发都具有积极的意义。

传统的球磨机设计多采用了简支梁的假设，并不能得到如球磨机的三维有限元计算模型的准确结果。

而且，随着球磨机大型化的趋势，实际试验变得困难，有限元的计算机模拟克服这一点，代替一定程度的实际试验，从而大大降低开发成本，缩短开发周期，以及加快产品的变形设计等。

另外，球磨机的大型化也使得优化设计有了更加重要的意义，大型球磨机需要的钢材多，尤其是最近几年，钢材价格上涨，优化球磨机结构尺寸，最大限度的减少球磨机钢材使用量，可以大大节约成本，增加市场竞争力。

再者，随着球磨机规格的增多，球磨机产品的系列化逐渐形成，对于同类产品只是具体几何尺寸上的差别，这里首次建立球磨机的参数化有限元模型，采用这一模型只需要修改一定的参数就可以进行分析，不必进行大量重复的建模准备工作，便于产品的系列化设计。

最后，考虑到广大工程技术人员使用方便，开发一个基于ANSYS并适合TCM陶瓷球磨机系列的仿真专用模块，对于推广有限元方法在球磨机结构分析中的应用具有重要的工程价值。

有限元分析作为工程设计中的一种先进手段已毋庸置疑，我国的球磨机设计制造水平仍然落后于国外的一个重要原因就是采取的研究设计手段，如何将这种手段应用到我国球磨机的设计实际中去，充分发挥它的功效，已是当务之急，相信文本的研究对加快有限元分析在球磨机结构设计上的应用能起到一定的推动作用。

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研究球磨机结构的目的和意义

研究球磨机结构的目的和意义 磨矿作业广泛应用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、电力、医药以及国防工业等部门，尤其是冶金工业中的选矿部门，磨矿作业更是具有十分重要的地位。

在选矿工业中，磨矿是矿石入选前的一道重要工序，它接受破碎作业的产品，继而将矿石磨碎到选别作业所要求的粒度。

除少数有用矿物单体解离度高的砂矿和部分高品位富矿不需要磨矿外，几乎都需要经过磨矿使用矿物获得比较理想的单体解离度。

随着国内外矿产资源的大量一开发利用，矿产资源已经日趋贫化，那些优质、易磨和易选的矿产资源已经逐渐本意，代之而来的是大量的低品位矿产资源。

对低品位矿产资源的利用，需要将有用矿物与脉石矿物有效分离，并经过选别之后，才能成为适于工业的优质原料。

因此，磨矿作业在资源加工领域有不可替代的地位。

在金属矿选矿厂，目前磨矿作业所采用的设备主要是卧式溢流型球磨机，并且在未来二十年来仍然不可能有其它的磨矿设备可以取代它；这主要是因为它具有下述几方面的优点：（1）结构简单；（2）生产平稳、可靠，这对后续作业特别是浮选作业具有十分重要的意义；（3）设备规格可大可小，因此处理量可大可小，适用于各种规模的选矿厂；目前世界上最大的球磨机已达Φhttps://www.flowerba.com/×https://www.flowerba.com/，有效容积近300m3，处理铁矿石达1000t/h；（4）适应性强，可以处理各种性质的矿石；（5）破碎比大，一般为30~100，产品粒度可粗可细；（6）作业率较高，一般达90%以上，如采用特殊衬板（如磁性衬板或格网衬板），作业率可达98%甚至更高；（7）易于操作调整，便于实现自动控制。

基于上述原因，卧式溢流型球磨机在金属矿选矿厂得到了广泛的。

但卧式溢流型球磨机也有缺陷，即电耗和钢耗比较高、能量利用率低，且产品粒度不均匀。

据有关资料统计，全世界用于粉磨作业的电耗占全世界总发电量的3~4%，而金属选矿厂中磨矿作业所耗费的电能在选矿厂的电耗中占有很大的比例，约占选矿作业能耗的30~70%；磨矿介质和衬板的消耗达/t。

随着日趋贫化的、低品位矿产资源的开发和利用，矿石在磨矿过程中能耗和钢耗的费用将越来越高。

另外，磨入作业的基建投资和维修费用也相当高。

磨矿作业的优劣直接影响着整个选矿厂的经济技术指标。

选矿厂的作业率和原矿的处理能力实际上就是球磨机的生产率和处理能力。

磨矿生产指标的改善，可使后续作业（特别是浮选作业）的生产指标得到改善，如提高有用矿物的单体解离度、降低有用矿物的过粉碎可以提高选别作业的精矿品位和有用矿物的回收率，减少有用矿物的金属流失，提高先鸩矿厂的过滤效率等；提高球磨机的处理量可以增加整个选矿厂的产量，降低生产成本，提高选矿厂的整体经济效益。

球磨过程是复杂而又多变的生产系统，它具有下列特别：（1）影响因素多，是选矿工业中可变参数最多的作业之一，而且各因素之间相互影响、相互制约，检测也比较困难。

这些影响参数大致可以分为三大类：物料性质方面有：矿石的可磨度、给料粒度、产品细度等；磨机结构方面有：磨机的结构、尺寸、衬板形状等；磨机操作方面有：介质添加制度（如介质尺寸配比以及材质、介质充填率）、磨机转速、磨机给料量、磨矿浓度等。

上述因素中，第一类是磨矿过程的自变量，也是磨矿过程中干扰的主要来源。

第二类被确定以后一般就不改变了（理想情况）。

第三类是球磨机的工作条件，如果设备维修以及添加钢球的材质都是正常的，则其可改变的条件就是磨机转速、加球制度（介质配比和数量）、磨机给料量和磨矿浓度。

一旦磨机转速固定，则只有加球制度、磨机给料量和磨矿浓度是可以变化的。

（2）非线性；磨矿回路的参数因设备的磨损程度不同是变化的，它们之间的关系是非线性的。

如球磨机衬板的磨损，秘诀变了其有效容积；钢球消耗量与添加量失调，改变了装球量和钢球的比例。

又如，球磨机磨矿效率与其负荷之间的关系就是非线性的，有最大值，它随工况变化而变化。

（3）时变性；磨矿过程中的许多因素如原矿性质、球量、磨机衬板厚度等都是时变的。

（4）滞后大；（5）机理复杂；（6）随机干扰因素多而且严重，这主要表现为：①来自不同采区或同一采区不同采段的矿石，可磨性存在很大的差异，人工操作已经难以识别和作出相应操作以适应矿石性质的变化，导致生产率降低，消耗增大，对于贫、难、杂矿石这一问题尤为突出。

②相关性极强的众多过程变量，如原矿性质、给矿量、磨矿浓度、水量、水压等；一种变量的波动会引起其它变量乃至整个作业的改变。

③非自动化操作时人为干扰因素多，主要起困于磨机操作者的素质和技术水平。

由于操作不及时而引起的任何问题，都不仅直接影响该作业或回路，甚至影响整个先寄放厂的经济技术指标。

基于上述各方面的原因，磨矿过程历来倍受选矿工作者的重视。

长期以来，人们一直在致力于改进和完善球磨机的工作性能。

国内外广大选矿工作者和自动化科技工作者，一直在关注和潜心研究磨矿生产过程的自动控制问题，随着矿石品位的日趋降低和入选矿量的逐年增多，对磨矿过程进行更有效、更完善的自动控制，也就越来越为国内外选矿界所重视，尤其是国外技术发达国家不惜花费大量的投资开展磨矿过程自动控制技术和生产装备及应用的研究。

在我国1995年底国家自然科学基金委员会所分布布的自然科学学科发展战略调砸到报告《冶金与矿业科学》一书中，已将“选矿过程的数学模型、模拟、优化及自动控制的研究”列为选矿学科重点发展的研究领域之一。

球磨机合理的内部工作参数是取得最佳磨矿效果的必要条件。

磨矿理论和实践表明：保持球磨机的最佳工作状态下运行，不仅能提高球磨机的处理能力，从而提高球磨机的工作效率，而且对提高磨矿产品乃至整个选矿厂的生产指标以及节能降耗都具有十分重要的意义。

在磨矿过程的自动控制中，球磨机内部参数的检测和控制是球磨机自动控制的重要内容。

为了达到对磨矿过程的有效自动控制，包括用计算机控制，对球磨机内部参数的检测和控制是不可缺少的；其中能否准确地检测出球磨机的内部参数是整个球磨机控制成败的关键。

但在生产过程中，能准确检测出球磨机内部工作参数是很困难的，因此也难实现优化控制。

鉴于上述各方面的原因，研究磨矿过程中球磨机内部参数的检测具有十分重要的理论意义和实际意义。

研究的目的在于：一方面解决球磨机自动控制中参数检测所存在的问题，即：球磨机内部参数的在线精确、适时检测，以了解球磨机内部的动态参数，为球磨过程的优化控制和智能控制提供精确、可靠的检测参数；另一方面是对球磨机的内部参数进行优化。

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物料与研磨体在陶瓷球磨机中的运行状况

物料与研磨体在陶瓷球磨机中的运行状况 在陶瓷球磨机中，研磨体的运动状态与筒体的转速和研磨体与筒体内壁的摩擦因数等有关系。

研磨体在筒体中的运动状态基本上可分为： 1、泻落式运动状态。

当陶瓷球磨机的转速较低时，全部研磨体可以看成是一个松散的“团块”，其界面随着筒体的转动沿着转动方向不断向上偏斜，形成斜坡。

当作坡的倾斜角度到达研磨体的自然休止角度时，研磨体在重力等作用下将沿斜坡滚下，形成泻落式运动，在运动中，物料主要依靠研磨体相对运动时产生的碰击和研磨作用被粉碎。

2、抛落式运动状态。

当陶瓷球磨机转速较高时，研磨体随筒体上升至一定的高度后，像抛射体一样抛落下来，在抛落式运动状态下，物料主要是依靠研磨体抛落时的碰击作用和部分研磨作用被粉碎。

3、离心式运动状态。

当筒体转速过高时，由于离心力的作用，研磨体附着在筒体内壁上与筒体一起做旋转运动而不再抛落。

在离心式运动中，研磨体不再对物料产生撞击和研磨作用，物料则不会被粉碎。

陶瓷球磨机的转速对其研磨效率有很大影响，如果转速适当，则能使研磨以较快的速度和在较高的效率下运行。

当陶瓷球磨机转速过快，由于离心力太大，研磨体紧贴在筒体内壁不会沿抛物线轨迹落下，不能给物料以有效的粉碎；反之，转速过慢时，在单位时间内研磨体对物料作用的次数就减少，同时研磨体上升高度不足，落下时对物料的功用也小，研磨速度和效率则会偏低。

研磨体做抛落运动，抛落运动的最佳转速，抛落体作泻落式运动的时间点，泻落式运动时球磨机的最佳转速，将是球磨机节能改造成功的关键。

陶瓷球磨机对物料的粉碎作用主要是研磨体对物料的碰击与研磨，用间歇式球磨机粉磨物料时，在研磨开始时粗颗粒的含量迅速减少，物料粉磨的速度很快；随着粉磨过程的进行，粉磨速度逐渐减慢下来，随研磨时间的延长会愈来愈慢。

产生这种现象的原因是颗粒越细，颗粒上的微裂纹等缺陷就越少，不易形成应力集中，颗粒愈难粉碎。

选择适当的球磨工艺，是提高球磨效率、减少球磨能耗的关键所在。

实验证明，在离心式运动中，研磨体不再对物料产生撞击和研磨作用，而研磨体泻落式运动和抛落式运动所产生的研磨效果随着粉磨的进行，其对物料的粉碎作用也不一样。

根据球磨工艺要求，合理控制球磨机的转速来控制研磨体的运动状态是陶瓷球磨机节能改造获得成功的有效途径。

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