Оптимизация геометрии вибросита для классификации металлургического кокса с помощью CAE Fidesys и ENAS DEM

Сергей Брякунов,
технический директор направления САЕ, департамент производственного консалтинга Группы «Борлас» (ГК Softline)

В статье рассматривается задача оптимизации гео-метрии просеивающей поверхности виброгрохота для классификации металлургического кокса на крупном металлургическом предприятии с помощью средств численного моделирования ENAS DEM и CAE Fidesys. Актуальность исследования обусловлена систематическим превышением доли бракованного продукта класса 0-10 мм.

Введение

Процесс классификации виброгрохотами, определяющий качество разделения сыпучих материалов по классам крупности, является одним из ключевых в металлургическом производстве. От качества работы просеивающей поверхности вибросита напрямую зависит доля требуемого продукта, производительность и ресурс оборудования. Традиционно геометрия отверстий грохота подбирается эмпирически, на основе накопленного производственного опыта и последующей корректировки по результатам эксплуатации. Такой подход требует изготовления опытных партий сит, их испытаний в реальных условиях и, как следствие, значительных временных и материальных затрат, особенно если требуемый результат достигается за несколько итераций.

Альтернативой эмпирическому проектированию выступает компьютерное инженерное моделирование, позволяющее исследовать поведение сыпучего материала на просеивающей поверхности и напряженно-деформированное состояние самой конструкции еще на стадии проектирования, до изготовления физического прототипа. Для решения подобных задач может быть применена связка двух программных комплексов: ENAS DEM (EDEM) — для моделирования движения сыпучей среды методом дискретных элементов и CAE Fidesys — для последующего прочностного анализа и оценки износа конструкции.

ENAS DEM (EDEM) — программный комплекс для моделирования методом дискретных элементов (DEM), позволяющий описывать поведение сыпучих и неоднородных сред на микроуровне. Комплекс поддерживает широкий перечень контактных формулировок для моделирования различных систем, работу как с сухими, так и с влажными материалами, анализ деформаций и разрушения частиц, моделирование объектов произвольной формы, а также композитных материалов. CAE Fidesys — российский программный комплекс конечно-элементного анализа, который поддерживает широкий спектр типов расчетов: линейный и нелинейный статический анализ, модальный и гармонический анализ, явную и неявную динамику, линейно-спектральный расчет (сейсмические воздействия), а также анализ устойчивости конструкций.

Совместное применение этих двух продуктов позволяет замкнуть расчетную цепочку «движение частиц — механическое взаимодействие — прочность и износ конструкции». В этой цепочке ENAS DEM отвечает за физически корректное моделирование поведения сыпучего материала и определение силовых нагрузок, возникающих при его контакте с просеивающей поверхностью, а CAE Fidesys — за интерполяцию этих нагрузок на конечно-элементную модель грохота и оценку его напряженно-деформированного состояния и величины износа.

Проблема и постановка задачи

В процессе эксплуатации грохота для классификации металлургического кокса на одном из крупнейших металлургических предприятий была выявлена систематическая проблема: частицы кокса размером порядка 10 мм застревают в ячейках нижнего сита виброгрохота, что приводит к повышенному износу и увеличению размеров отверстий сита. По данным проб, доля класса 0-10 мм в готовом продукте составила 20-30%, тогда как согласно техническим условиям и технологическим инструкциям доля этого класса не должна превышать 8%. Таким образом, фактическое отклонение от нормативных требований оказалось многократным, что напрямую сказывалось на качестве продукции и экономических показателях производства.

Рис. 1. Многомасштабный подход к оценке износа и эффективности работы сита виброгрохота

С целью решения данной задачи было применено численное моделирование для отработки различных вариантов дизайна сита. Алгоритм решения задачи следующий (рис. 1):

1. Средствами ENAS DEM провести моделирование процесса грохочения кокса на исходной геометрии сита и определить силы, действующие на просеивающую поверхность со стороны движущегося материала, а также характер прохождения частиц через отверстия «ласточкиного хвоста».
2. По результатам DEM-моделирования с использованием CAE Fidesys провести оценку износа исходной конструкции сита по модели Арчарда, связывающей интенсивность износа с контактным давлением и относительным перемещением поверхностей.
3. На основе анализа исходной геометрии предложить и обосновать конструктивное изменение формы отверстия, способное снизить вероятность застревания частиц и уменьшить износ.

Провести повторное моделирование для измененного дизайна геометрии и сопоставить полученные результаты с исходным вариантом по критериям износа, распределению частиц по классам крупности и напряженному состоянию конструкции в зоне концентратора напряжений.

Исходный дизайн геометрии

На первом этапе в ENAS DEM было выполнено моделирование процесса грохочения на исходной геометрии сита. По результатам расчета были определены силы, действующие на грохот при транспортировке среды (рис. 2). Полученные нагрузки используются при дальнейшей оценке эффективности работы сита: нагрузки при транспортировке должны быть больше сил сопротивления при прохождении частицы через отверстия (рис. 3).

Рис. 2. Моделирование работы грохота. Абсолютная скорость частиц, м/с

Рис. 3. Силы, действующие на частицы при транспортировке, Н

Следующим шагом был смоделирован процесс прохождения частицы через отверстие сита (рис. 4). Частица при этом представлена в виде агломерата сферических частиц со связями. Для связей реализована линейно-упругая модель поведения. Также стоит отметить возможность учета разрушения связей при необходимости.

Рис. 4. Моделирование процесса прохождения частицы через отверстие сита. Нормальная сила, Н

Полученные нагрузки были интерполированы на конечно-элементную модель в CAE Fidesys, где по закону Арчарда была выполнена оценка износа исходной конструкции сита (рис. 5). Результаты расчета подтвердили, что зона максимального износа локализуется на внутренней поверхности отверстий вследствие протяженной области контакта.

Рис. 5. Оценка величины износа, мм

Предлагаемый вариант геометрии

На основании анализа исходной конструкции для классификации коксовой мелочи было предложено изменить профиль отверстия просеивающей поверхности с прямого на трапециевидный. Такое решение опирается не только на результаты расчетов, но и на существующий опыт, отраженный в статьях и патентах.

Для модифицированной геометрии было выполнено повторное моделирование по той же расчетной цепочке, что и для исходного варианта, с целью корректного сопоставления результатов. Анализировались силы сопротивления после прохождения через модифицированную просеивающую поверхность, а также картина износа стенок отверстия трапециевидного профиля (рис. 6-8).

Рис. 6. Моделирование прохождения частицы через отверстие трапециевидного профиля. Начальный момент. Силы, Н

Рис. 7. Моделирование прохождения частицы через отверстие трапециевидного профиля. Силы, Н

Рис. 8. Оценка износа измененного дизайна геометрии отверстия сита

Сравнение эффективности классификации

Для оценки эффективности предлагаемого решения было проведено моделирование процесса классификации разными вариантами сит.

На рис. 9 представлены результаты моделирования процесса классификации коксовой мелочи исходным вариантом дизайна сита и предлагаемым. Процент бракованной продукции класса 0-10 представлен на рис. 10.

Рис. 9. Результаты моделирования процесса классификации. Размер агломерата, мм. Исходный вариант (слева), предлагаемый вариант (справа)

Рис. 10. Бракованная продукция класса 0-10 мм, %

Обсуждение результатов

По результатам моделирования можно сделать следующие выводы:

1. Уменьшение площади контакта за счет изменения профиля отверстия позволило снизить износ на 10% по сравнению с исходным вариантом. Это связано с сокращением зоны длительного взаимодействия частиц с внутренней поверхностью отверстия, в которой ранее наблюдался абразивный износ.
2. Трапециевидный профиль отверстия облегчает процесс прохождения частицы через него: результаты моделирования показывают более быстрое прохождение частиц заданных размеров по сравнению с исходной формой, где создавались условия для заклинивания. Это напрямую способствует снижению доли бракованного продукта класса 0-10 мм.
3. Отдельно был проведен анализ силовых условий транспортировки материала. По результатам моделирования установлено, что инерционные и ударные нагрузки, возникающие при движении сыпучей среды, являются достаточными для обеспечения прохождения частиц через отверстия модифицированной геометрии — то есть предложенное решение не создает риска ухудшения производительности грохота за счет недостаточной подвижности материала.
4. Важным результатом стало снижение напряжений в концентраторе отверстия (в зоне радиуса скругления) на 15% по сравнению с исходной конструкцией. Поскольку именно концентрация напряжений в этой зоне является одним из основных факторов усталостного разрушения ячеек сита, данное снижение способствует увеличению срока службы просеивающей поверхности, дополняя эффект от снижения абразивного износа.
5. Полученные результаты свидетельствуют о том, что трапециевидный профиль отверстия является технически обоснованной альтернативой исходной геометрии и позволяет устранить выявленную причину брака — застревание частиц кокса размером порядка 10 мм с последующим разрушением ячейки сита.
6. Предлагаемый вариант дизайна сита обеспечивает снижение бракованной продукции класса 0-10 на 10-15%. В результате будет достигаться соответствие требованиям на процесс классификации коксовой мелочи.

Заключение

Данная работа демонстрирует эффективность применения связки программных комплексов ENAS DEM и CAE Fidesys для решения практической производственной задачи: оптимизации геометрии вибросита для классификации металлургического кокса на предприятии. Использование метода дискретных элементов позволило детально воспроизвести физику движения сыпучего материала по просеивающей поверхности и выявить механизм застревания частиц в отверстиях исходной геометрии, а последующий перенос полученных нагрузок в CAE Fidesys дал возможность количественно оценить износ и напряженное состояние конструкции.

Предложенное на основе расчетов и опыта изменение профиля отверстия на трапециевидный позволило добиться комплексного улучшения характеристик грохота: снижения износа просеивающей поверхности на 10%, облегчения прохождения частиц через отверстия и снижения напряжений в зоне концентратора на 15%. Это, в свою очередь, создает технические предпосылки для приведения доли брака класса 0-10 мм к нормативным значениям, установленным техническими условиями и технологическими инструкциями (не более 8%), а также для увеличения ресурса просеивающей поверхности. По результатам моделирования двух вариантов дизайна сит было определено, что предлагаемый вариант обеспечивает снижение бракованной продукции класса 0-10.

Представленный пример показывает, что связка ENAS DEM и CAE Fidesys может служить практическим инструментом инженерного анализа при модернизации технологического оборудования.