University of Oulu

Development of vertical stirred mill grinding disc and chamber design : effect on grinding efficiency and media behaviour and laboratory to plant size scale-up study

Saved in:
Author: Keikkala, Ville1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Geology
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526235325
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-12-09
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP-Pohjola auditorium (L6), Linnanmaa, on 16 December 2022, at 12 noon
Tutor: Professor Saija Luukkanen
Professor Kari Heiskanen
Professor Mirja Illikainen
Reviewer: Professor Simon P. Michaux
Associate Professor Erik Hulthén
Opponent: Professor Arno Kwade
Description:

Abstract

In mineral processing, comminution takes place after blasting and crushing. Particle size reduction is usually performed using horizontal tumbling mills, which are typically power-wise inefficient for particle sizes < 50 μm and have a large footprint. Such fine particle sizes are important role when extracting low-quality ore.

Vertical grinding has been introduced as a solution for grinding low-quality ore, especially to generate fine product particle sizes. The technology has been used in the calcium carbonate, pigment and paint industries for decades but is relatively new in mineral processing.

In vertical grinding mills, the grinding process usually involves attrition rather than hammering as in regular tumbling mills. The energy efficiency of vertical grinding mills is better, which generates less noise and waste heat, and requires lower energy consumption. The energy is distributed throughout the whole mill area, in contrast to tumbling mills, where only about 40 % of the mill area is used owing to the horizontal installation. The feed material, slurry, is pumped upwards through vertical mills as the particle size is reduced.

One aim of the work outlined in this thesis was to improve the energy efficiency by changing the grinding disc design and disc position within the grinding chamber. The work was conducted using laboratory-, pilot- and plant-scale grinding mills, as well as computer-aided design by the discrete element method (DEM). Another key aim was to verify mill sizing by developing an equation to scale-up laboratory work to full-size plant equipment. In addition, the media behaviour during grinding was studied at a mine site for a period of six months.

One outcome of the Studies was development of an improved disc design that significantly extends the lifetime of discs and enables a lower mill speed to be used for the same product particle size. Another finding was that with a mechanical change in the grinding mill chamber, it was possible to generate a downward force and use lower mill speeds. A third result was development of an equation to scale-up laboratory work to a full-plant-sized mill for estimation of the power consumption and mill size. The fourth area of study showed that ceramic media remained as relatively spherical particles during the grinding process and their distribution in the mill was rather homogenous.

see all

Tiivistelmä

Mineraaliteknologiassa räjäytyksen ja murskauksen jälkeen materiaali jauhetaan haluttuun kokoluokkaan. Jauhatukseen on yleensä käytetty vaakasuorassa olevaa myllyä, jossa jauhatusta pyritään tapauskohtaisesti tehostamaan lisäämällä teräskuulia myllyyn. Kyseinen teknologia tarvitsee paljon energiaa, on tilaa vievä sekä jauhatuskyvyltään vaillinainen, kun halutaan saavuttaa hieno alle 50μm partikkelikoko.

Pystysuuntaista jauhatusmyllyä pidetään lupaavana ratkaisuna hienontamaan malmikiveä, kun materiaali halutaan hienontaa 2‐50 μm kokoluokkaan. Aiemmin samanlaista teknologiaa on käytetty pigmentti-, maali- ja kalsiumkarbonaattiteollisuudessa, mutta mineraalitekniikassa se on uusi.

Tutkimusten mukaan pystymylly on tavanomaisiin myllyihin verrattuna energiatehokkaampi hienojauhatuksessa ja se vaatii merkittävästi vähemmän tilaa. Pystymyllyyn syötetään jauhettava liete pohjan kautta pumppaamalla. Pystysuoraan, ylhäältä kiinni olevaan, akseliin on kiinnitetty jauhinlevyjä ja myllyn seinämällä, vuorauksessa, on kiinteitä haittoja näiden jauhinlevyjen välillä. Myllyssä käytetään yleensä keraamisia jauhinkuulia. Jauhinkuulien määrää ja myllyn akselin pyörintänopeutta muuttamalla voidaan säätää lopputuotteen hienoutta.

Väitöskirjatyöni keskittyy märkänä tehtävään pystymyllyjauhatukseen ja erityisesti myllyyn, jossa haittalevyt on kiinnitetty vuoraukseen. Tutkimusta tehtiin laboratorio-, pilotti- ja laitoskoon myllyillä sekä mallinnettiin DEM (Discrete Element Method) menetelmällä.

Osatöiden tuloksina saatiin kehitettyä jauhinlevyjen muotoa niin, että jauhatuksen energiatehokkuus parani. Toiseksi jauhinkammion kehityksen seurauksena jauhatustehokkuutta pystyttiin entisestään parantamaan lisää. Kolmanneksi kehitettiin kaava, jolla pystytään skaalaamaan laboratoriossa tehtävien kokeiden perusteella täysikokoisen myllyn energian kulutus ja tarvittava myllykoko. Viimeisessä tutkimuksessa todettiin keraamisien jauhinkuulien jakautuvan tasaisesti myllyn sisällä sekä niiden pysyvän suhteellisen pyöreinä kuuden kuukauden aikana laitoskoon myllyssä.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Keikkala, V., Paz, A., Komminaho, T., Lehto, H., & Loucas, J. (2018). Energy efficient rotor design for HIGmills. Minerals Engineering, 128, 266–274. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2018.08.035

  2. Keikkala, V., Nad, A., & Heiskari, H. (2022). Displacement effect of the grinding discs to the grinding efficiency in vertical grinding mills. Manuscript submitted for publication.

  3. Heath, A., Keikkala, V., Paz, A., & Lehto, H. (2017). A power model for fine grinding HIGmills with castellated rotors. Minerals Engineering, 103–104, 25–32. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2016.07.017

  4. Hassall, P., Nonnet, E., Keikkala, V., Komminaho, T., & Kotila, L. (2016). Ceramic bead behavior in ultra fine grinding mills. Minerals Engineering, 98, 232–239. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2016.08.016

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3532-5
ISBN Print: 978-952-62-3531-8
Issue: 863
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 222 Other engineering and technologies
Subjects: