Passing probability model for non-uniform screen deck

Abstract

The primary goal of this thesis is to develop a probability-based simulation model for a single screen deck with varying aperture sizes. The second goal is to develop a continuous model that can forecast screening efficiency, throughput rate, material bed depth along the screen deck, and particle size distributions of undersize and oversize material. The final goal is to integrate the model with Metso Outotec’s Bruno simulation program, so that the model can be used to choose appropriately sized apertures for the screens’ screening elements. Bruno software is used to simulate the crushing and screening circuits. The current model in Bruno is not capable of calculating the outcome of a screening process with multiple apertures. This is an issue, because most often there are multiple apertures used at the single screen deck in the mining and aggregates industry. A more sophisticated simulation model could anticipate the aperture sizes to be employed in a screen for their selection. The screening efficiency, the throughput rate and the material bed depth are important factors considering the selection of the proper sized apertures in the screen, because these parameters are used to select a suitable screen for a certain screening situation.

The simulation model was developed based on the former model found from the literature, where particles passing probability is calculated. The initial model was built into Microsoft Excel spreadsheet program in which its development and verification work was done with the old industrial-scale screen test results. Those test results were obtained with the multi-slope screen and in those results, the throughput of the material was studied in different sections of the screen deck. In the tests, the distribution of the feed, the feed rate, the sizes of the apertures in the screen and the inclination of the screen varied. These tests were also re-run in Bruno. With these results, the initial model was changed and simplified so that it would fit more precise to the old tests results and would be more facilitated to use in Bruno. Changes and simplifications were evaluated with the sensitivity analysis made in Excel. The results analysis was made by comparing the model’s results, the old test results, and Bruno’s results together.

According to the results, the new screen simulation model gives quite precise results. The obtained results from the model are most precise when the fine material is screened if the screens feed rate is near to optimal. As the coarser material is screened, if the screen is overloaded, the model gives the most unprecise results because it predicts the multi-slope screens screening efficiency and throughput rate lower and the material bed depth higher than the test results indicate. The model needs further development to the overload cases so that it can be applied to Bruno. However, the model can predict the screening efficiency, the throughput rate, and the material bed depth along the screen. The current model in Bruno can only calculate the screening efficiency, the throughput rate, and the material bed depth at the discharge end of the screen. According to the sensitivity analysis results made in Excel, the changes and the simplifications that were made to the model were justified.

The problem in the industrial-scaled screen tests is the extent of the samples. The model developed in this thesis is tested and validated with a single vibrating screen type. There is only one test result per test, so the deviation in the old results cannot be known. For the further development of the model, it would be beneficial to arrange more similar industrial-scaled screen tests with different screen types, screen settings and feed materials. Also, each of these tests should be repeated several times. These test arrangements are time consuming and expensive, so those was excluded from this study for reasons of timetable and cost. However, with the further development of the model, it is possible to apply the new model in Bruno that is more precise than the present calculation in it.

Tämän työn ensimmäinen tavoite on luoda todennäköisyyslaskentaan perustuva simulointimalli yhdelle seulatasolle, jonka verkoissa on erikokoisia aukkoja. Toisena tavoitteena on luoda mallista jatkuva, jolloin se kykenee ennustamaan seulontaprosessin tehokkuuden, läpäisevän materiaalin määrän ja materiaalipedin paksuuden seulan pituussuunnassa sekä ennustamaan seulan ylitteen ja alitteen partikkelikokojakaumat. Kolmantena tavoitteena on asettaa malli Metso Outotecin Bruno-simulointiohjelmaan, jotta sillä voidaan simuloida seulontaprosesseja sopivien aukkokokojen valitsemiseksi seulojen verkkoihin. Bruno-ohjelmalla simuloidaan murskaus- ja seulontapiirejä. Tällä hetkellä Brunossa oleva seulontamalli ei pysty laskemaan seulonnan lopputulosta kuin yhdellä aukkokoolla kerrallaan. Tämä on ongelma, sillä useimmiten kaivos- ja kivenmurskausteollisuudessa täryseuloissa käytetään useampaa aukkokokoa verkoissa samalla seulatasolla. Tarkemmalla simulointimallilla voitaisiin etukäteen selvittää, minkä kokoisia aukkoja verkkoihin tulisi valita seulatasolle. Seulonnan tehokkuuden, alitteen määrän ja materiaalipedin paksuuden tunteminen seulatason eri kohdissa ovat tärkeitä tekijöitä sopivien aukkokokojen valinnassa seulaverkkoihin, koska näillä tekijöillä arvioidaan täryseulan sopivuutta seulontatilanteeseen.

Työssä kehitetyssä simulointimallissa käytettiin pohjana kirjallisuudesta löydettyä lupaavaa partikkelin läpimenotodennäköisyyteen perustuvaa mallia. Alkuperäinen malli rakennettiin Microsoft Excel-taulukkolaskentaohjelmaan, jossa sen kehitystyö ja verifiointi tehtiin aikaisemmin tehdyillä teollisuusmittakaavan seulontatestituloksilla. Testitulokset oli saatu banaaniseulalla ja niissä tutkittiin materiaalin läpäisyä seulatason eri kohdissa. Testeissä vaihtelivat seulottavan materiaalin koko, syötemäärä, seulaverkkojen aukkokoot ja seulan kallistus. Nämä seulatestit ajettiin uudelleen myös Bruno-ohjelmalla. Näiden tulosten perusteella alkuperäistä mallia muokattiin ja yksinkertaistettiin, jotta se sopisi paremmin testituloksiin ja olisi käytännöllisempi Bruno-ohjelmassa. Muokkauksia ja yksinkertaistuksia arvioitiin Excelissä tehdyn herkkyysanalyysin avulla. Tuloksia arvioitiin vertailemalla mallin, seulatestien ja Brunon antamia tuloksia keskenään.

Tulosten perusteella uudella simulointimallilla voidaan valita erikokoisia aukkoja verkkoihin seulatasolle ja se antaa melko tarkkoja tuloksia, mutta myös selviä kehityskohteita löytyy. Malli antaa tarkimpia tuloksia hienoa materiaalia seulottaessa, kun syötemäärä on lähellä optimia. Seulottaessa karkeampaa materiaalia seulan ollessa ylikuormassa, malli antaa epätarkimpia tuloksia, koska se ennustaa banaaniseulan läpäisyn ja tehokkuuden matalammaksi sekä materiaalipedin paksuuden korkeammaksi kuin todellisuudessa. Mallia tulee jatkokehittää tarkemmaksi ylikuormatilanteissa, jotta se voidaan asettaa Bruno-ohjelmaan. Malli kuitenkin kykenee laskemaan seulonnan tehokkuuden, läpäisevän materiaalin määrän ja materiaalipedin paksuuden eri kohdissa seulatasoa. Brunon tämänhetkinen malli kykenee laskemaan ainoastaan seulan purkupäästä saatavan tehokkuuden, läpäisevän materiaalin määrän ja materiaalipedin paksuuden. Excelissä tehdyn herkkyysanalyysin tulosten perusteella alkuperäiseen malliin tehdyt muokkaukset ja yksinkertaistukset ovat perusteltuja.

Teollisen mittakaavan seulatestien ongelma on niiden otoksen laajuus. Tässä työssä kehitetty malli on testattu ja verifioitu yhdellä täryseulatyypillä. Testituloksia on vain yksi tiettyä testiä kohden, joten testien hajontaa ei voida tietää. Mallin jatkokehitystä varten tarvittaisiin uusia samanlaisia teollisen mittakaavan testejä eri täryseulatyypeillä, täryseulan asetuksilla ja syötemateriaalin muutoksilla. Lisäksi näistä testeistä tarvittaisiin useampi otos. Tällaiset järjestelyt ovat kuitenkin aikaa vieviä ja kalliita, joten niitä ei voitu aikataulu- ja kustannussyistä tähän työhön sisällyttää. Kuitenkin jatkokehittämällä mallia vanhojen testitulosten pohjalta on täysin mahdollista asettaa Brunoon sen nykyistä laskentaa tarkempi malli.