Estudio del desgaste de los recubrimientos de un molino rotatorio en función de sus variables operacionales a partir de la generación de un modelo Dem validado.

Abstract

Los molinos son máquinas rotativas que se utilizan en diversas industrias para la reducción de tamaño de materiales. Se destaca la industria minera por emplear estos dispositivos en los procesos de conminución de mineral. Sin embargo, diversas investigaciones han concluido que estos dispositivos son bastante ineficientes en dichos procesos, con rendimientos que suelen oscilar entre el 1% y el 5%. Por lo tanto, cualquier tipo de mejora resulta beneficioso. Estas máquinas trabajan bajo diversas condiciones de operación, que involucran una combinación entre velocidades de rotación y niveles de llenado. Cada condición de operación tiene un impacto independiente en el rendimiento del molino, incluido el desgaste de los recubrimientos diseñados para proteger la carcasa del molino. Estudiar el desgaste en los recubrimientos de los molinos rotatorios en función de sus variables operacionales es complejo experimentalmente. Una alternativa es utilizar el método de elementos discretos (DEM) para modelar estos equipos, y acoplarlos con modelos de desgaste para estimar la cantidad de material removido por tiempo de operación. En esta investigación se modela mediante DEM un molino rotatorio a escala de laboratorio considerando diversas condiciones de operación. El modelo numérico se valida mediante mediciones experimentales de torque en el eje motriz, distribución espacial de las partículas y tendencia de la fuerza normal en la cara de trabajo del lifter. Los resultados muestran una alta predicción del modelo numérico con la realidad. Posteriormente, se emplea el mismo modelo numérico, pero con la incorporación de sensores virtuales para estimar el desgaste. La tasa de desgaste en estos sensores se estima mediante el acoplamiento del modelo DEM con los modelos de desgaste de Archard y SIEM, donde se realiza un estudio comparativo entre ambos. Los resultados muestran que el modelo SIEM como el de Archard predicen de manera similar las mismas zonas de alto y bajo desgaste. Entre estos resultados, se destaca que las zonas más afectadas por el desgaste son la cara de trabajo y la cara perpendicular al radio, en comparación con la cara opuesta a la de trabajo. Por otro lado, se observa que el incremento del nivel de llenado a velocidades de rotación bajas constantes tiende a reducir la tasa de desgaste de forma no lineal. Sin embargo, a velocidades de rotación altas, se identifica un punto de inflexión. También se descubre que incrementar la velocidad de rotación manteniendo constante el nivel de llenado se produce un aumento lineal en la tasa de desgaste.

Mills are rotary machines used in various industries for material size reduction. The mining industry stands out for employing these devices in mineral comminution processes. However, several studies have concluded that these devices are quite inefficient in such processes, with yields typically ranging between 1% and 5%. Therefore, any type of improvement is beneficial. These machines can operate under various operating conditions, which involve a combination of rotation speeds and fill levels. Each operating condition has an independent impact on mill performance, including the wear of liners designed to protect the mill shell. Studying wear on the liners of rotary mills as a function of their operational variables is experimentally complex. An alternative is to use the Discrete Element Method (DEM) to model these equipments and couple them with wear models to estimate the amount of material removed per unit time. In this research, a laboratory-scale rotary mill is modeled using DEM considering various operating conditions. The numerical model is validated through experimental measurements of torque on the driving shaft, spatial distribution of particles, and trend of normal force on the lifter's working face. The results show a high prediction accuracy of the numerical model with reality. Subsequently, the same numerical model is employed, but with the incorporation of virtual sensors to estimate wear. The wear rate in these sensors is estimated by coupling the DEM model with Archard and SIEM wear models, where a comparative study between both is conducted. The results show that the SIEM model, as well as the Archard model, predict similar zones of high and low wear. Among these results, it is highlighted that the areas most affected by wear are the working face and the face perpendicular to the radius, compared to the opposite working face. On the other hand, it is observed that increasing the fill level at constant low rotation speeds tends to reduce the wear rate nonlinearly. However, at high rotation speeds, an inflection point is identified. It is also found that increasing the rotation speed while keeping the fill level constant leads to a linear increase in the wear rate.