一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法

摘要

本发明公开了一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法，它具体包括选择球磨设备和护甲材料，用可视化方法确定级配考核指标，确定能最有效反映实验结果的对称型水平实验点，将不同球径的磨球按照一定比例并结合对称型水平实验点进行实验，通过可视化分析得出不同球径磨球的最佳不同径磨球级配方案。本发明提出了系统完整的磨机装补球技术解决方案，运用可视化方法得到了磨球最佳装载量、最经济磨球材质和最佳磨球级配方案，突破对使用磨球产生的节能降耗和降低生产成本作用不显著不稳定，造成无法推广应用的“瓶颈”。

说明书

技术领域

本发明涉及磨球领域，具体涉及是一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法。

背景技术

中国耐磨材料产业市场规模快速增长，整体制造水平不断提高。随着国民经济稳步发展，我国火力发电、冶金矿山、建材水泥等领域对耐磨球段的需求量也保持稳定增长的态势，仅国内耐磨球段的需求量2015年达到208.74万吨，下表列出了2010－2015年，该类产品国内需求量的增长情况：

2010－2015国内耐磨铸造磨球段市场需求量(万吨)

据不完全统计，近年来，我国年各类耐磨球段的出口量为100万吨－150万吨。可见，该市场需求总量虽较大，但是，长期以来正因为国内磨球制造技术、加工设备落后，生产工艺数十年不变，不重视精炼，致使钢铁液纯净度差，变质效果不稳定，凝固过程存在大量偏析、变异和不稳定组织，导致内部组织不致密和表面质量差；且磨球心部到表面的力学性能、使用性能不一致，直接影响了磨球的使用寿命。

球磨机磨球量化级配技术的科学研究方法按其发展水平可分为四个阶段：

1.试错阶段；

2.正交实验法(实验周期、成本较高，且无法处理大样本)；

3.可视化信息处理的精准实验法；

4.使用智能化控制模型。

在国外，近几年来在磨球制造和使用领域已经开始摸索第三台阶和第四台阶的科研方法及运用相关技术手段和工具制定、完善工艺，制造、使用和监控体现工艺“精髓”内容的精美装置，然而良莠不齐，进展缓慢。在国内，现今仍停留在应用正交实验法进行科学研究和生产应用的第二阶段上，致使大量动态变化因素得不到有效的控制和预测，产品制造和产品使用长期存在的浪费大、效率低，成本高的问题一直得不到解决；不能有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术加速该领域的技术进步，发挥科技领跑作用的压力越来越大。

磨球球磨机主要在电力、矿业、水泥等工业领域用于破碎、碾磨各种磨料，其装备、磨料和介质虽不同，但工作原理相同，研究方法一致,工作内容相近。传统磨煤机加装磨球主要以磨煤机电流为参照依据，采取定期加装大直径磨球方式(φ60mm)，易导致磨煤机筒体内部不同直径磨球比例不合理，造成对煤块、煤粒的破碎力有余，而碾磨力不足；由于此工况条件下，不同径磨球的动态分布不利于高效制粉；加上煤质常偏离设计煤种较大，使制粉单耗升高。

为此，本案发明人，积多年对磨球的设计与制造经验，提出一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法，运用可视化方法通过极少的实验，得到了磨球最佳装载量、最经济磨球材质和最佳磨球级配方案，突破由于受磨球材料、球磨装备、物料特性、工作环境等多因素制约和交互性影响而使得迄今国内外研究磨球级配问题都停滞在定性研究阶段，突破对使用磨球产生的节能降耗和降低生产成本的作用不显著、不稳定，加上过分依靠经验，造成无法推广应用的“瓶颈”。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法，包括如下步骤：

(1)根据已知磨料材料特性和生产能力的需求合理选择球磨设备；

(2)按作业条件和使用寿命的需要选择护甲材料；

(3)采用可视化方法在确定N个级配考核指标后，列出影响N个级配考核指标的影响因素并据工作经验列出其水平范围，所述N为整数；

(4)按可视化方法在所述步骤(3)中已拟定的水平范围内确定能最有效反映所述考核指标变化范围的对称型水平实验点；

(5)将N种球径的某系磨球按照一定比例以非整数倍设计，并结合所述步骤(4)得出的对称型水平实验点进行实验，通过对实验结果的可视化分析得出在使用某种材质N种球径磨球在最佳磨球装载量和最经济磨球材质条件下的最佳不同球径磨球的级配方案，所述N为整数。

优选地，所述步骤(1)中球磨设备在要求干磨或湿磨条件下选择磨煤机，当磨料为黑色金属矿或有色金属矿时选择金属磨矿机，当磨料为非金属软质矿或非金属硬质矿非金属时选择磨矿机；所述步骤(5)中磨球的球径具体为四种。

优选地，步骤(3)中所述级配考核指标为四个，且四个级配考核指标具体为磨机能耗、磨球磨耗、出粉率和生产成本降低率；所述影响因素具体为六个，所述六个影响因素分别为护甲材料、磨料材料、磨球装载量、球径配比、磨球合金成分和热处理制度。

优选地，步骤(3)-(5)中所述可视化方法为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与级配考核指标之间的2.5D关系图，从对多幅关系图的综合分析，从而得到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”目的，并对实验数据中六个影响因素和所述四个级配考核指标进行“影响因素→级配考核指标映射”的可视化分析方法。

优选地，步骤(4)中所述实验条件的设计为将多个影响因素实验设计分解为多个两因素水平安排，通过作图方法不断调节实验水平，使得在每个两因素空间实验点呈近似均匀的分布状态。

优选地，步骤(4)中所述实验结果的分析为以待分析的两个影响因素作为横纵坐标，以实验级配考核指标指标作为等指标依据，制作2.5维图，通过对图的分析得知影响因素对级配考核指标的影响规律，多个影响因素的情况分解为多幅2.5维图操作；实验结果中优化影响因素水平范围为通过叠加绘制所述多幅2.5维图，寻找具体级配考核指标范围的影响因素数值范围，从而达到寻求优良实验结果优化实验的目的。

优选地，步骤(5)中所述最佳磨球装载量为在实现正常出粉率的前提下，所得到的最低生产成本为最佳磨球装载量。

优选地，当球磨设备为磨煤机时，最经济磨球材质为铬磨球，且所述铬含量为10.86％，确定最佳四种不同球径磨球级配方案为Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝11.65：50.11：28.17：10.07，确定了磨球最佳装载量为36.23t。

本发明的有益效果在于，

(1)本发明在球磨机运行过程中，球磨机不论是在单段或多段工作区内均可在设定磨料和介质形成较佳充填率的条件下，通过对最佳不同球径磨球的级配方案的确定可使优质磨球能适应不同工作环境，充分发挥其优良的使用性能，体现出明显的节能降耗和降低产品生产成本的作用；

(2)本发明设计各种球磨机磨球级配技术方案，并综合考虑和分析单段或多段作业区磨球流运动特性，对由磨机能耗、磨球磨耗、出粉率、生产成本等考核指标和影响因素与水平等组成的技术元素实验体系运用可视化方法进行统计、计算、整理和优化得出磨球最佳级配工艺；并应用可视化方法和图谱，结合现场实际，制定磨球最佳不同球径磨球的级配方案，保证球磨机中磨球级配可靠的处于工程态最佳级配水平；

(3)本发明在对4个级配考核指标(能耗、磨耗、出粉率、生产成本)、6个级配影响因素(护甲材料、磨料材料、磨球装载量、磨球球径配比、磨球合金成分和热处理制度)和各取13个水平点组成的实验体系中，运用可视化方法不仅以极少的实验次数(13组次)获得了磨球最佳级配方案，且获得了球磨煤粉最低成本的最佳磨球装载量和最经济磨球材质；

(4)本发明运用可视化方法通过极少的实验，得到了磨球最佳装载量、最经济磨球材质和最佳磨球级配方案，突破由于受磨球材料、球磨装备、物料特性、工作环境等多因素制约和交互性影响而使得迄今国内外研究磨球级配问题都停滞在定性研究阶段，突破对使用磨球产生的节能降耗和降低生产成本的作用不显著、不稳定，加上过分依靠经验，造成无法推广应用的“瓶颈”。

附图说明

如图1为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在60mm磨球用量不同时对电耗的影响平面示意图；

如图2为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在60mm磨球用量不同时对电耗的影响2.5维示意图；

如图3为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在60mm磨球用量不同时对电耗的影响总装球量截面示意图；

如图4为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在60mm磨球用量为15％时对电耗的影响曲线示意图；

如图5为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在磨球中Cr含量不同时对电耗的影响平面示意图；

如图6为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在磨球中Cr含量不同时对电耗的影响2.5维示意图；

如图7为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在磨球中Cr含量不同时对电耗的影响总装球量截面示意图；

如图8为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在磨球中Cr含量为4％时对电耗的影响曲线示意图；

如图9为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法的磨球总装机重量与60mm直径磨球装机率对磨耗的影响示意图；

如图10为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在四种不同直径磨球与Cr含量不同时电耗为20kWh/t优化区间示意图；

如图11为本发明所述的一种用于球磨设备磨球量化级配技术的可视化方法中总装球量在四种不同直径磨球与Cr含量不同时对成本降低百分比影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步详细说明。

传统磨煤机加装磨球主要以磨煤机电流为参照依据，采取定期加装大直径磨球方式(φ60mm)，易导致磨煤机筒体内部不同直径磨球比例不合理，造成对煤块、煤粒的破碎力有余，而碾磨力不足；由于此工况条件下，不同径磨球的动态分布不利于高效制粉；加上煤质常偏离设计煤种较大，使制粉单耗升高。

本发明设计各种球磨机磨球级配技术方案，并综合考虑和分析单段或多段作业区磨球流运动特性，对由能耗、磨耗、出粉率、生产成本等考核指标和影响因素与水平等组成的技术元素实验体系运用可视化方法进行统计、计算、整理和优化得出磨球最佳级配工艺；并应用可视化方法和图谱，结合现场实际，制定磨球最佳不同球径磨球的级配方案，保证球磨机中磨球级配能稳定、可靠的处于工程态最佳级配水平。

现将应用于某电厂300MW机组磨球磨煤机的磨球级配技术和所选用的最经济磨球组织设计与控制技术作为案例内容并介绍其运作过程和使用效果。

可视化方法指的是：在设计实验条件、分析实验结果乃至从实验结果中优化因素水平过程中，通过科学绘制实验因素与实验指标之间的2维或3维关系图(也称相图)，从对多幅关系图的综合分析，从而得到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验因素的水平优化”目的。通过设计各种球磨机磨球级配技术方案(考虑和分析单段或多段作业区磨球流运动特性；对由能耗、磨耗、出粉率、生产成本等考核指标和影响因素与水平等组成的技术元素实验体系运用可视化方法进行统计、计算、整理和优化得出磨球最佳级配工艺。

实验设计(multifactor&multilevel visualized Design,m²VD)：将多因素实验设计分解为多个2因素水平安排，通过作图方法不断调节实验水平，使得在每个2因素空间实验点呈近似均匀的分布状态。

实验结果分析(multifactor&multilevel&multitarget visualized Analysis,m³VA)：以待分析的两个因素作为横纵坐标，以实验指标作为等指标依据，制作2.5维图。通过对图的分析得知因素对指标的影响规律。多个因素的情况分解为多幅2.5维图操作。

实验结果优化(multifactor&multilevel&multitarget visualized Optimize,m³VO)：通过叠加绘制上述多幅2.5维图，寻找具体等指标范围的因素数值范围，从而达到寻求优良实验结果优化实验的目的。

一种用于球磨机磨球量化级配技术的可视化方法，包括如下步骤：

(1)根据已知磨料材料特性和生产能力的需求合理选择球磨机；首先主要从三方面进一步明晰球磨机实际运行特性和生产能力：

1)球磨机作业制度；

2)球磨机产能和经济考核指标；

3)磨料特性和球磨机各种衬板、端板、隔板等工件材质、结构、形态等对磨球级配考核指标的影响(无效磨球、小金属块)。

4)确定球磨机级配铸造磨球类型：

磨煤机(干磨、湿磨)；

金属磨矿机(黑色金属矿、有色金属矿)；

非金属磨矿机(非金属软质矿、非金属硬质矿)。

(2)按作业条件和使用寿命的需要选择护甲材料；

(3)在确定护甲材料、磨料材料等已知条件下研究，在保证产能、质量(主粒度比例体系)的前提下，将最低生产成本作为最佳工艺方案的判据；磨球装载量决定电耗；磨球性能(主要由成分和热处理工艺决定)和磨球级配效果决定磨耗；球磨矿物质生产成本主要由电耗、磨耗和不同材料磨球采购价共同构成分析、计算、考核体系。

按磨球应用领域的使用特性通常分为三类：火力发电、矿山、水泥等工业，其共性的研发元素：

1)级配考核指标：磨机能耗、磨球磨耗、出粉率和生产成本降低率；

2)级配工作条件：矿质磨料硬度、矿质磨料初始块度(颗粒)、工作环境参数(酸碱度、干湿度、物质流量、流速等)、磨机装备参数(磨机直径、转速、长度等)；

3)影响因素(取较佳磨机充填率)：护甲材料、磨料材料、磨球装载量、磨球球径配比、磨球合金成分和热处理制度；

4)磨球装载量(t)(在实现正常出粉率的前提下，所得到的最低生产成本为最佳磨球装载量，该指标主要决定电耗，其范围为30－55t)；

5)采用可视化方法在确定4个级配考核指标后，列出影响4个级配考核指标的影响因素并据工作经验列出其水平范围。

(4)按可视化方法在所述步骤(3)中已拟定的水平范围内确定能最有效反映所述考核指标变化范围的对称型水平实验点；

(5)将4种球径的某系磨球按照一定比例以非整数倍设计，并结合所述步骤(4)得出的对称型水平实验点进行实验，通过对实验结果的可视化分析得出在使用铬材质4种球径磨球在最佳磨球装载量和最经济磨球材质条件下的最佳不同球径磨球的级配方案，所述最佳磨球装载量为在实现正常出粉率的前提下，所得到的最低生产成本为最佳磨球装载量。

所述可视化方法具体为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与级配考核指标之间的2.5D关系图，从对多幅关系图的综合分析，从而得到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”目的，并对实验数据中六个影响因素和所述四个级配考核指标进行“影响因素→级配考核指标映射”的可视化分析方法。所述实验条件的设计为将多个影响因素实验设计分解为多个两因素水平安排，通过作图方法不断调节实验水平，使得在每个两因素空间实验点呈近似均匀的分布状态。所述实验结果的分析为以待分析的两个影响因素作为横纵坐标，以实验级配考核指标指标作为等指标依据，制作2.5维图，通过对图的分析得知影响因素对级配考核指标的影响规律，多个影响因素的情况分解为多幅2.5维图操作；实验结果中优化影响因素水平范围为通过叠加绘制所述多幅2.5维图，寻找具体级配考核指标范围的影响因素数值范围，从而达到寻求优良实验结果优化实验的目的。

“实验条件的设计”

现将4种球径的磨球按照一定比例以非整数倍设计，并结合对称型水平实验点进行实验，通过对实验结果的可视化分析可得出在使用某种材质4种球径磨球在最佳磨球装载量和最经济铬系磨球材质条件下的最佳不同径磨球的级配方案；

1)球径配比(mm)如下：

M1—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝9.96：37.90：37.53：14.61

M2—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝11.65：50.11：28.17：10.07

M3—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝13.65：37.37：41.14：7.84

M4—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝14.90：47.44：32.88：4.78

M5—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝16.65：35.60：24.78：22.97

M6—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝18.79：45.91：28.00：7.30

M7—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝19.93：34.26：29.73：16.08

M8—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝21.46：44.27：33.00：1.27

M9—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝30.00：32.29：35.53：2.18

M10—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝25.72：42.85：27.23：4.20

M11—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝27.24：29.62：39.72：3.42

M12—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝28.00：39.45：31.45：1.10

M13—Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝27.33：48.50：18.00：6.17

2)铬系磨球铬元素变化(低铬→中铬→高铬→超高铬，即2％Cr-20％Cr)，从而组成4目标(①电耗(kW·h/t)；②磨耗(g/t)；③出粉率(t/h)；④成本降低率(％))、6因素(护甲材料、磨料材料、磨球装载量、球径配比、磨球合金成分和热处理制度)、13水平实验点的可视化设计、分析和优化体系。

在对4个级配考核指标(能耗、磨耗、出粉率、生产成本)、6个级配影响因素和各取13个水平点组成的实验体系中，运用可视化方法不仅以极少的实验次数(13组次)获得了磨球最佳级配方案，且获得了球磨煤粉最低成本的最佳磨球装载量和最经济磨球材质；球径配比和不同铬含量的铬系磨球主要决定磨耗。

“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”

磨球总装载量主要决定生产吨煤粉的电耗；图1－图4以考察磨球总装载量在Φ60mm磨球不同加入比例对电耗影响为例，展示考察其在Φ50mm、Φ40mm、Φ30mm等3种磨球不同加入比例对电耗影响的方法。从图2中2.5D图上并结合图1观察到总装球量在60mm磨球用量不同时对电耗的影响都呈轻微非线性变化。从图3中截面图观察随着总装球量的增加耗电量是增加的，但由于60mm球径磨球占有比例不同所以截面不是一条曲线，而是一个面。

图5－图8以考察磨球总装载量在磨球中Cr含量不同时对电耗的影响和总装球量在磨球中Cr含量为4％时对电耗的影响为例，可观察到磨球总装载量在磨球中Cr含量不同时对电耗的影响都呈非线性变化。从图8中总装球量在磨球中Cr含量为4％时观察到随着总装球量的增加耗电量是一条上下波动的曲线。

图9以考察磨球总装机重量与60mm直径磨球装机率对磨耗的影响示意图，图中可见60mm直径磨球的装机率与磨球总装载量的等磨耗线，进一步优化60mm直径磨球的装机率与磨球总装载量的对应区间。

图10以考察总装球量在四种不同直径磨球与Cr含量不同时电耗为20kWh/t的优化区间为例，展示考察总装球量在四种不同直径磨球与Cr含量不同时电耗为其它不同值时的优化区间。结合图9可见，欲维持电耗在20kWh/t的能耗水平以下，总装球量应控制在35t以下，此时对60mm直径装球比例控制在10～30％之间，对50mm直径装球比例控制在30～50％之间，对40mm直径装球比例控制20～40％之间，对30mm直径装球比例控制1～20％之间，Cr的含量控制在2～20％间。这只是考虑到耗电指标的优化结果，全面分析还应考虑到磨耗、出粉率以及成本降低指标。

图11以考察总装球量在四种不同直径磨球与Cr含量不同时成本降低率为75％时优化区间为例，展示考察总装球量在四种不同直径磨球与Cr含量不同时成本降低率为其它不同值时的优化区间。结合图10可见在总装球量应控制在30t以下，有可能达到最低成本。所有球径磨球用量范围及含Cr量进一步严格化，对60mm直径装球比例控制在11％－24％之间，对50mm直径装球比例控制在31％-44％之间，对40mm直径装球比例控制19％-34％之间，但对30mm直径装球比例控制4％-15％之间，Cr的含量控制在3％-14％间。总与电耗分析结果趋势相同。成本降低率再提高，已经没有公有区间。

同理，亦可利用可视化方法开展各因素对磨耗、对出粉率等目标影响趋势和程度的研究。

表1为可视化优化结果化体系，如表1所示，通过对四种不同球径磨球的影响因素对级配考核指标映射的可视化分析、优化，再考虑到某些工艺因素，确定了M2组(Φ60:Φ50:Φ40:Φ30＝11.65：50.11：28.17：10.07)可做为最佳级配方案。从而确定了磨球最佳装载量为：36.23t；最经济的优选磨球材质为：含Cr10.86％左右的高铬磨球。从而实现了对某系磨球材质在以级配考核指标为检验标准，以考核指标的影响因素为实验变量，最终实现了在使用铬材质4种球径磨球在最佳磨球装载量和最经济磨球材质条件下的最佳不同球径磨球的级配方案的可视化操作。

表1 可视化优化结果化体系

本发明在球磨机运行过程中，球磨机不论是在单段或多段工作区内均可在设定磨料和介质形成较佳充填率的条件下，通过对最佳不同球径磨球的级配方案的确定可使优质磨球能适应不同工作环境，充分发挥其优良的使用性能，体现出明显的节能降耗和降低产品生产成本的作用；本发明设计各种球磨机磨球级配技术方案，并综合考虑和分析单段或多段作业区磨球流运动特性，对由能耗、磨耗、出粉率、生产成本等考核指标和影响因素与水平等组成的技术元素实验体系运用可视化方法进行统计、计算、整理和优化得出磨球最佳级配工艺；并应用可视化方法和图谱，结合现场实际，制定磨球最佳不同球径磨球的级配方案，保证球磨机中磨球级配能稳定、可靠的处于工程态最佳级配水平；突破由于受磨球材料、球磨装备、物料特性、工作环境等多因素制约和交互性影响而使得迄今国内外研究磨球级配问题都停滞在定性研究阶段，突破对使用磨球产生的节能降耗和降低生产成本的作用不显著、不稳定，加上过分依靠经验，造成无法推广应用的“瓶颈”。

由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明所包含。