ANSYS и ROCKY обеспечили экономию для компании VALE

Крупнейший в мире производитель железной руды используя инструменты имитационного моделирования увеличил производительность и снизил расходы на 80%

Существенные изменения в горнорудной отрасли связаны с необходимостью реализовывать проекты с минимальной стоимостью и максимальной глубиной переработки руды за счет повышения надежности и производительности оборудования.  Расходы могут быть уменьшены с использованием программных пакетов имитационного моделирования, таких как  ANSYS и ROCKY, которые способны предсказывать значения ключевых параметров процессов и характеристики оборудования, тем самым значительно снижая вероятность отказа оборудования.    
Совместное использование программного обеспечения ANSYS и ROCKY повышает эффективность процессов и оборудования в различных областях горнодобывающей промышленности. Компания Vale, крупнейший в мире производитель железной руды, использовала эти связанные программные решения в течении более чем года для модернизации своих объектов на своем железном руднике Карахас (Carajas), расположенном в штате Пара (Бразилия), и достигла положительных результатов.

РУДНИК КАРАХАС (CARAJAS)
РУДНИК КАРАХАС (CARAJAS)

"В прошлом году и в начале этого года мы реализовали 2 дорогостоящих проекта. Стоимость этих проектов составила порядка 40 млн. бразильских реалов (18,2 млн. долларов США). За три месяца работы введенных в эксплуатацию объектов по каждому проекту мы добились экономической отдачи в размере более чем 100 млн. долларов США", - говорит Ueld José da Nobrega, старший инженер управления технического обслуживания и промышленной автоматизации в компании Vale. Он также сообщает, что результаты, полученные после реализации проектов, в целом совпали с результатами численного моделирования.

ЗАДАЧА

Проекты упомянутые инженером, были разработаны для повышения эффективности работы и снижения необходимости в частой чистке просеивающей поверхности грохотов предварительного грохочения для обогатительных фабрик 3 и 4. Фабрики 3 и 4 имеют по две входных перерабатывающих линий каждая. Перерабатывающие линии предназначены для дробления и сепарации породы. Небольшие куски породы после грохотов отправляются на хранение в рудный двор и распределяются по питающим бункерам, в то время как более крупные куски возвращаются на линию переработки для дробления в мельницах и обеспечения надлежащего размера.

Из-за высокой степени сложности задачи, команде инженеров на руднике Карахас требуется проведение совместных расчетов в программных пакетах ANSYS и ROCKY для получения сведений о поведении просеиваемой породы на грохоте. С помощью программного обеспечения ROCKY они могут выполнять имитационное моделирование как сферических, так и несферических кусков породы различных размеров, рассчитывать величины их силового воздействия при падении на рабочую поверхность грохота, а также скорость просеивания. "Моделирование является более точными с несферическими частицами. Сложная форма кусков породы связана с высоким содержанием железа в нашем сырье”, - объясняет инженер Ueld.

Данные, полученные в ROCKY, были использованы в комбинации с результатами расчета инструментами для проведения прочностного анализа оборудования в ANSYS. Инженеры смогли провести виртуальные испытания оборудования с предлагаемыми изменениями и предсказать как руда будет вести себя при изменении конструкции. При использовании связанного решения, компания Vale сократила время, затрачиваемое своими сотрудниками на разработку проекта примерно на 70%.

РЕШЕНИЕ

Решение, предложенное инженерами Vale, было основано на принципе действия грохотов с подвижными колосниками. Были разработаны различные варианты конфигурации колосников и принято решение использовать как прототип валковый грохот, широко применяемый в угольной промышленности. Опираясь на данные, полученные в ANSYS и ROCKY, они определили необходимую скорость вращения валков с дисками, угол наклона просеивающей поверхности, расстояние между дисками и их профиль, который изменялся в ходе работ от обычной круглой формы до треугольной. 

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ РУДЫ ПО КРУПНОСТИ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ РУДЫ ПО КРУПНОСТИ
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕ ANSYS ИЛЛЮСТРИРУЮЩИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ НАГРУЗКИ НА ВРАЩАЮЩИЕCЯ ДИСКИ
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕ ANSYS ИЛЛЮСТРИРУЮЩИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ НАГРУЗКИ НА ВРАЩАЮЩИЕCЯ ДИСКИ
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ ROCKY, ИЛЛЮСТРИРУЮЩИЕ ЗАГРУЗКУ И ПРОСЕИВАНИЕ ЧЕРЕЗ ВРАЩАЮЩЕЕСЯ ДИСКИ КУСКОВ РУДЫ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ И РАЗМЕРА
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ ROCKY, ИЛЛЮСТРИРУЮЩИЕ ЗАГРУЗКУ И ПРОСЕИВАНИЕ ЧЕРЕЗ ВРАЩАЮЩЕЕСЯ ДИСКИ КУСКОВ РУДЫ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ И РАЗМЕРА

Для адаптации к новым характеристикам грохотов были приняты соответствующие изменения для остального оборудования, работающего в линии. Конвейерная система также была перепроектирована и адаптирована. Эти изменения, после того как были воплощены в жизнь, обеспечили увеличение питания фабрик 3 и 4 и привели к суммарному приросту их производительности в размере 11,4%.

ЛУЧШАЯ РУДА В МИРЕ

Рудник Карахас компании Vale – самый большой открытый рудник в мире поставляющий на рынок миллионы тонн высококачественной руды. Производительность фабрик рудника – 400 тысяч тонн в день. Суточный поток руды обслуживает более чем 100 самосвалов. 

ЛУЧШАЯ РУДА В МИРЕ
ЛУЧШАЯ РУДА В МИРЕ

Эти самосвалы также известные как "Гигантские самосвалы Vale", весьма заметны, имеют высоту восемь метров, длину пятнадцать метров, и колеса, которые в два раза превышают рост человека. Каждый грузовик имеет возможность перевозить до 400 тонн породы каждый - в том же объеме, что и самолет Boeing 747 вместимостью 415 человек.

Согласно последнему “Отчету об устойчивом развитии компании Vale”, Карахас производит 109,8 млн тонн железной руды в год. Этого сырья достаточно, чтобы сделать порядка 15000 копий Эйфелевой башни. В следующем году компания Vale планирует увеличить производство до 130 млн. тонн руды в год. Для достижения этого значения, компания планирует инвестировать в исследования и разработки и, тем самым, повысить эффективность работы оборудования. 

Большегрузное оборудование управляемое рабочим рудника Карахас 

Гигантский самосвал VALE загружается породоЙ на руднике Карахас

В рамках этого сценария развития, инженерам Vale нужно оптимизировать процессы, сократить количество отходов, а также разработать более эффективное оборудование. Они полагаются на инструменты имитационного моделирования, которые по мнению инженеров, стали ценным источником справочных данных, поскольку позволяют оценить преимущества нововведений и сроки возврата инвестиций до изготовления оборудования. "Здесь, в Карахасе мы не реализуем проекты, которые предварительно не проверяются на моделях. Применение численного моделирования стало фактором, обеспечивающим высокое качество нашего инжиниринга” рассказывает один из инженеров Vale.

Применение инструментов моделирования, таких как ANSYS и ROCKY, в ходе разработки процессов и оборудования создает конкурентное преимущество для компаний, занятых в горнодобывающей отрасли. Это обуславливается масштабами процессов и размерами оборудования, используемого в этих процессах. Изготовление физического прототипа и испытания нового оборудования такого типа могут стоить сотни тысяч долларов. По мнению одного из инженеров Vale, моделирование имеет важное значение для отрасли и позволяет отрабатывать различные нововведения, не тратя миллионы на доработку физических прототипов. "С помощью численного моделирования можно обосновать изменения в конструкции оборудования при его модернизации. Мы уверены, что все деньги, вложенные в проект, будут приносить значительную прибыль”, – объясняет он.

ROCKY И МЕТОД ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Метод дискретных элементов (Discrete Element Method – DEM) является относительно новым численным методом анализа, который набирает большую популярность в связи с прогрессом компьютерных технологий. Этот метод в основном используется для моделирования сыпучих материалов, которые состоят из большого количества твердых частиц. Уравнения для сплошной среды для этого типа материала очень трудно применить для описания его динамики. Метод дискретных элементов позволяет прогнозировать поведение индивидуальной твердой частицы в рамках системы. Взаимодействие дискретных частиц друг с другом и с геометрическими границами системы отслеживается на каждом временном шаге моделирования.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПО КРУПНОСТИ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПО КРУПНОСТИ

ROCKY – высокопроизводительный программный пакет, основанный на методе DEM, использующий преимущества имеющихся в распоряжении расчетчика аппаратных вычислительных мощностей: как графической карты (GPU), так и центрального процессора (CPU). Это позволяет быстро решать задачи механики гранулированных сред. Также пользователю предоставляется возможность использовать реалистичные несферические частицы в моделировании. Такие формы частиц, как граненые многогранники, брикеты и цилиндры обеспечивают поведение сыпучего материала максимально приближенное к реальному. Каждая частица рассчитывается в системе как один дискретный элемент, что по сравнению со способом аппроксимации сложной формы частицы комплексом связанных сфер обеспечивает уменьшение продолжительности расчета. ROCKY может имитировать одновременно более 5 миллионов частиц формы близкой к произвольной и любого гранулометрического состава. Реализована возможность моделировать сыпучую среду в разных внешних условиях, учитывать реологию сухих, влажных и пылевидных материалов.  Возможности ROCKY включают в себя применение подвижных геометрических границ для моделирования движения (в т.ч. периодических колебаний) элементов оборудования различного типа для имитации практически любого сыпучего материала и оборудования.

ANSYS И МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Инструменты конечно-элементного анализа (Finite Element Analysis – FEA) ANSYS используются для анализа прочностных аспектов изделий и оборудования, в том числе для получения сведений о напряжениях, данных по деформациям и вибрационных характеристик.  Эти инструменты позволяют инженерам лучше понимать влияние конструктивных изменений на поведение модели в целом.

ROCKY И ANSYS РАБОТАЮТ ВМЕСТЕ

Как показано в приведенном выше примере с железным рудником Карахас, соединение возможностей ROCKY и метода дискретных элементов (DEM) с возможностями ANSYS и метода конечных элементов (FEA) обеспечивает создание комплексного инструментария, способного предсказать не только динамику взаимодействующих потоков частиц сыпучей среды, но также их влияние на динамические и прочностных характеристики элементов, из которых это оборудование состоит.

Инженеры Vale использовали ROCKY для расчета усилий, действующих на каждый элемент рабочих поверхностей оборудования, участвующих в взаимодействии с частицами, затем оценивали общее силовое воздействие частиц на оборудование в пакете ANSYS.  Результаты этих связанных расчетов позволили инженерам и конструкторам в компании Vale определить элементы оборудования, которые должны быть изменены для достижения максимальной производительности и долговечности оборудования. Таким образом, программные пакеты ROCKY и ANSYS, работающие вместе, обеспечили для компании Vale экономию ресурсов.

 

© 2016-2017 ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»