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大型半自磨機筒體襯板結構設計方法與選材
發(fā)布時間：
2023-07-05
來源：
采礦業(yè)是現代工業(yè)的基石，大到飛機、航母、摩天大廈，小到汽車、手機、電子元件，無一不依賴其提供最基礎的原材料。半自磨機作為采礦業(yè)重要的破碎和研磨設備，裝機量逐年攀升。耐磨襯板是半自磨機的重要部件，主要作用是提升礦物和研磨介質，使其相互摩擦碰撞，從而破碎、磨細礦物，同時保護磨機本身免受礦物和研磨介質的損害。近30 年來，由于磨機設計理論和磨機制造技術不斷進步，大型半自磨機得到廣泛應用，目前全球最大半自磨機規(guī)格已達到 φ13.41 m×7.92 m。隨著磨機規(guī)格的不斷增大，為了進一步提高生產效率、降低礦石處理成本，研磨介質 (主要是各種材質的磨球，以鋼球居多) 的尺寸也不斷增大，直徑由 φ70 mm 最大增至φ150 mm，質量由 1.41 kg 猛增至 13.87 kg。磨機半徑增大導致線速度增大，φ12.2 m 半自磨機中 φ150 mm鋼球的沖擊力約為 φ5 m 半自磨機中 φ70 mm 鋼球沖擊力的 24 倍。
由于半自磨機內部鋼球的拋落受到磨機轉速、襯板高度、提升面角等影響，鋼球運行軌跡復雜，有部分鋼球會直接沖擊筒體襯板。高頻次、高能量沖擊會導致表面材料疲勞，造成襯板超預期磨損和斷裂，這對襯板的結構強度、材料強韌性和耐磨性提出了更高的要求。近年來，半自磨機襯板的材料和制造工藝進步明顯，但仍然難以滿足半自磨機大型化給耐磨襯板帶來的巨大挑戰(zhàn)。為了應對這一挑戰(zhàn)，必須持續(xù)提高襯板結構強度并合理選擇襯板材料，以抵抗鋼球巨大沖擊力造成的破壞和襯板的超預期磨損。筆者結合多年來的襯板結構優(yōu)化設計和生產制造經驗，對半自磨機襯板結構設計原則和選材進行系統(tǒng)研究和總結。
1 襯板結構設計
依據提升條在襯板上的位置分布，可以將半自磨機筒體襯板的結構形式分為“丄”形 (“山”形)、“L”形和分體式，如圖 1 所示；也有學者依據襯板的整體形狀對襯板結構形式進行了細分，如楔形、波形、平凸形等。無論筒體襯板采用何種結構形式，其目的都是提升物料和保護筒體。半自磨機的主要作用是破碎，改進襯板結構的主要目標是增加提升能力、強化破磨效果。襯板結構設計的原則是，既要解決磨機襯板頻繁更換帶來的低運轉率問題，又要在滿足產能要求條件下使襯板有足夠長的壽命，且容易安裝和拆卸。
1.1 筒體襯板提升條數量
為了更加合理地確定筒體襯板提升條數量，國內外眾多學者使用離散元法模擬了提升條數量對物料提升以及物料運行軌跡的影響。有學者認為，磨機轉速一定時，鋼球是否被拋落取決于提升條的數量，數量越多，鋼球被拋落次數越多。有學者認為，提升條越多，提升的介質越多，破碎和粉磨的效率越高。
傳統(tǒng)設計理論認為，半自磨機筒體襯板提升條數量等于磨機直徑數值 (以英尺為單位) 的 2 倍。有學者統(tǒng)計了自 φ8 m 至 φ12 m 的半自磨機筒體襯板提升條數量，結果顯示當筒體襯板采用等高方案時，半自磨機直徑數值 (以英尺為單位) 與提升條數量之比等于或接近 1∶1。筆者結合半自磨機襯板設計實踐認為，當筒體襯板采用高低襯板交替排布時，半自磨機直徑數值 (以英尺為單位) 等于或接近提升條數量的1.5 倍較為合理。當襯板提升條數量達到某一臨界值時，相鄰提升條根部距離小于 2 倍最大鋼球直徑，相鄰襯板間的容積減小，鋼球瀉落數量明顯增加，大部分物料相互滑動，此時鋼球的破碎能力下降，不利于礦石的破碎。基于以上分析，襯板提升條數量應保證相鄰提升條根部距離大于等于 2 倍最大鋼球直徑。
1.2 襯板的提升面角
提升面角的作用是盡可能多地使礦物和鋼球之間發(fā)生碰撞，減小物料之間的相對滑動。在半自磨機轉速一定的情況下，提升面角在一定范圍時，磨機的臺效達到頂峰，此時磨機內瀉落區(qū)范圍比例最小，磨機的處理能力達到最大。
確定最佳初始提升面角，是為了保證研磨介質最大化拋落在料堆趾部，避免直接沖擊襯板或料堆較厚部位。鋼球直接沖擊襯板會增加襯板斷裂的概率，而沖擊料堆較厚部位對礦石的破碎效果較弱。通過計算不同提升面角時鋼球在磨機內的運行軌跡和拋落點可以確定最佳提升面角。
隨著計算機技術的不斷進步，越來越多的離散元分析軟件和專業(yè)的襯板設計軟件被開發(fā)出來。Mill Traj Liner Design Software 是一款專業(yè)襯板設計軟件，通過輸入磨機規(guī)格、轉速、提升條高度、提升面角度、提升條數量等，研究鋼球的拋落位置，模擬鋼球在筒體內的運行軌跡，輔助和驗證襯板提升面角設計，如圖 2 所示。
通常情況下，根據不同的磨機規(guī)格和轉速，提升面角的范圍為 25°～ 35°。由于物料的運動軌跡和格子板的排料作用，出料端鋼球和礦料比例高于進料端和中間段筒體，加重了鋼球對襯板的沖擊和沖刷，對不同部位的筒體襯板可以采用不同的提升面角。例如，進料端、中間段和出料端的襯板可分別采用 31°、32°和 35°的提升面角；非提料側承擔的沖擊和磨損較輕，可以采用小角度面角，通常為 5°～ 15°。
半自磨機襯板的整個壽命周期大致要經歷 3 個階段：產能提升期、產能穩(wěn)定期和產能衰減期。一般情況下，產能穩(wěn)定期提升條面角大于提升條初始面角，此時磨機內物料的相對運動達到最大值，磨機的處理效率最高；隨著襯板的進一步磨損，提升面角越來越大，磨機內物料相對運動越來越弱，產能逐漸衰減，磨機功耗上升。為了解決襯板安裝初期產能不足難題，可以采用“上大下小”的變面角方案 (見圖 3)。上部提升面角與磨機實際運行的最佳提升角度范圍接近，能夠使襯板在運行初期即可快速達到磨機的額定臺效；隨著襯板的磨損，提升條下半部面角在壽命中后期達到最佳提升角度范圍，可以延長襯板提升條處于最佳提升角度的時間。
1.3 提升條高度
肖賢煌采用離散元法，基于統(tǒng)計力學原理，通過分析半自磨機內部各層級載荷顆粒的運動軌跡和運動狀態(tài)，發(fā)現相近層級下的載荷顆粒具有相似的運動規(guī)律，將半自磨機內部載荷劃分為提升區(qū)、死區(qū)、瀉落區(qū)和拋落區(qū)。提升區(qū)和拋落區(qū)的范圍越大，半自磨機的處理能力越強，因此，需要通過調整提升條高度和提升面角的大小，盡可能減小死區(qū)和瀉落區(qū)的范圍。
當襯板提升條數量和磨機轉速確定時，提升條的高度越高、提升面角越小，鋼球和礦料被拋落的距離越遠。一般情況下，提升條高度應等于鋼球的最大直徑，波谷半徑等于或稍大于最大鋼球半徑。但隨著半自磨機的大型化，由于磨機內部高頻次、高能量介質對襯板的強烈沖擊和沖刷作用，提升條高度等于或略大于最大鋼球直徑已經很難滿足礦業(yè)企業(yè)對襯板高耐磨性、長壽命、壽命期內平穩(wěn)運行的苛刻要求。據筆者多年設計和制造 φ10 m 以上半自磨機襯板的經驗，在特大型半自磨機上，提升條的有效高度 (襯板總高與底板厚度之差) 至少為最大鋼球直徑的 2 倍以上。同時，增加提升條高度可以減弱鋼球和物料對底板的沖刷，減輕襯板底板的早期磨損。以國內某銅礦φ11.0 m×6.4 m 半自磨機和某銅鉬礦 φ10.97 m×7.16 m 半自磨機為例，最新設計的筒體襯板提升條的有效高度分別為最大鋼球直徑的 2.2 倍和 2.3 倍。
1.4 提升條高度的軸向分布
由于不同半自磨機中物料進入磨機的落點、鋼球充填量和綜合充填量等各不相同，筒體襯板的高磨損區(qū)域也各不相同。為了避免局部高磨損襯板提前失效，需要對襯板提升條高度在軸向的分布進行調整，增加高磨損區(qū)域提升條高度，適當減小低磨損區(qū)域提升條高度，在保證襯板整體壽命的情況下，實現不同部位襯板的壽命匹配。
研究人員通過三維激光空間掃描技術，建立磨機襯板磨損曲線與時間的關系，對不同部位的襯板使用壽命進行預測，并根據襯板磨損形狀，對襯板結構進行優(yōu)化，同時結合不同部位的選材及硬度、沖擊韌性設計，實現壽命匹配。三維激光掃描技術將襯板的磨損狀態(tài)轉化為可編輯點云，以磨機筒體內壁建立三維標準模型，二者進行比對可以獲取厚度色譜圖和不同部位的準確厚度，如圖 4、5 所示。也可以襯板三維初始結構裝配圖為標準模型與點云對比，能夠直觀地顯示襯板的磨損程度，如圖 6 所示。
1.5 筒體襯板的金屬量及數據庫建設
半自磨機筒體襯板金屬量和結構是襯板設計的重要參數，襯板的正常失效最終都反映為襯板金屬量的損失。在選擇合適提升條高度、提升面角的前提下，適當增大提升條頂寬，使襯板的有效金屬量 (一般為襯板總質量的 70% 左右) 增多，可以進一步提高襯板的使用壽命。
為了便于在襯板結構設計時提供參考依據，建立以單位面積筒體上襯板質量為參數的數據庫。數據庫的其他參數包括襯板高度、底板厚度、提升面角、提升條頂寬、礦石參數、實際使用壽命或處理礦量等。設計襯板結構時，依據磨機規(guī)格、礦石參數和額定處理量等，選取相同或相近規(guī)格半自磨機的襯板結構進行參考。
2 半自磨機襯板的選材
半自磨機襯板失效的主要形式有磨損失效、變形失效和斷裂失效，半自磨機襯板磨損的主要形式有三體磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。大型半自磨機中，高頻次、高能量鋼球的沖擊使襯板表面形成疲勞層，導致三體磨損和腐蝕磨損加劇。半自磨機襯板的選材，要同時兼顧高耐磨性和高沖擊韌性，還要避免材料在沖擊下發(fā)生嚴重變形。
2.1 鋼鐵基耐磨材料
用于半自磨機襯板的鋼鐵基耐磨材料主要有 4 大類：奧氏體錳鋼、馬氏體鋼、抗磨白口鐵和珠光體鋼。奧氏體錳鋼是半自磨機襯板使用最為廣泛的材料，受到沖擊或者接觸應力時，奧氏體組織會迅速發(fā)生組織轉變，形成一定厚的硬化層抵抗磨損，當應力消失，組織又會迅速恢復為奧氏體；但隨著半自磨機大型化，高能量沖擊使襯板組織內部產生的應力遠超奧氏體錳鋼形變應力極限，組織隨之發(fā)生流變、疲勞，磨損加速，甚至發(fā)生斷裂，難以滿足大型和超大型半自磨機襯板耐磨性強、耐沖擊性強、抵抗變形能力強的性能需求。馬氏體鋼大多通過淬火處理獲得，快速冷卻使組織迅速發(fā)生轉變，組織內殘余應力很難完全消除，沖擊韌性較差?？鼓グ卓阼F組織中塊狀碳化物含量高，材料硬度高，脆性大，碳化物嚴重割裂基體組織，高頻、高能沖擊極易導致襯板產生裂紋，甚至斷裂、脫落。以上材料都很難滿足大型半自磨機襯板的高耐磨性、長壽命、壽命期內連續(xù)穩(wěn)定運行的苛刻要求。
珠光體鋼是一系列以錳、鉻、鉬、鎳為主要合金元素的耐磨鋼的總稱，碳含量通常在 0.3%～1.0% 之間，合金元素總含量低于 5%，熱處理后組織以珠光體和碳化物為主。可以通過調整碳和合金元素含量，使用不同的熱處理工藝滿足不同規(guī)格磨機對襯板的性能要求，硬度和沖擊韌性在很大范圍內可調整，硬度范圍 300～500 HB，無缺口沖擊功10～50 J。
低合金珠光體鋼已廣泛應用于 φ8 m 以上半自磨機襯板，國內外主要耐磨襯板制造商均采用珠光體鋼作為大型半自磨機襯板的主材質，并取得了良好的使用效果。
2.2 橡膠襯板和鋼-橡復合襯板
橡膠作為耐磨材料，自 20 世紀 50 年代末就用于礦山耐磨件。1967 年，銅陵有色鳳凰山銅礦采用橡膠作為耐磨材料，屬國內首次。耐磨橡膠主要采用聚氨酯橡膠，其特點是耐磨性能好，抗腐蝕性強，密度低，質量輕，噪聲小，且安裝容易。耐磨橡膠可以單獨作為襯板材質使用，以碳鋼或鑄鐵作為骨架在模具中灌注耐磨橡膠，主要用于規(guī)格較小的半自磨機和球磨機襯板；也可與抗磨白口鑄鐵、馬氏體鋼等耐磨材料制成鋼-橡復合襯板，在云南某銅礦 φ9.75 m×4.72 m 半自磨機中試用，與耐磨鑄鋼襯板壽命相當，但有耐磨塊脫落的現象。
橡膠襯板和鋼-橡復合襯板整體質量僅為鋼襯板的 1/3～1/2，具有質量輕、耐沖擊、能耗低、工作環(huán)境噪聲小的特點。但橡膠襯板易變形，而鋼-橡復合襯板存在結合不牢固、耐磨塊易脫落等缺點，嚴重制約了這 2 種材料在大型半自磨機襯板上的應用。
3 結論
半自磨機不同部位襯板的磨損程度不同，襯板的使用壽命嚴重不均。為應對大型半自磨機內高頻次、高能量鋼球的沖擊，延長襯板的使用壽命，使襯板在服役期內連續(xù)穩(wěn)定運行，對大型半自磨機筒體襯板結構設計參數和選材進行系統(tǒng)研究，得出以下結論。
(1) 根據襯板等高或高低交替排布方案，半自磨機直徑數值 (以英尺為單位) 與提升條數量之比應為1∶1 或 1.5∶1.0；相鄰提升條根部距離應大于等于 2倍最大鋼球直徑。
(2) 提升條有效高度應大于等于 2 倍最大鋼球直徑。
(3) 最佳提升面角范圍為 25°～ 35°，不同部位的襯板可以采用不同的提升面角，同一襯板可以采用變面角設計。
(4) 可以采用專業(yè)襯板設計軟件和三維激光掃描分析技術，輔助和驗證襯板結構設計。
(5) 建立以單位筒體面積上襯板金屬量、設計結構、礦石性質和襯板使用壽命或處理礦量為參數的數據庫，能夠快速、合理地確定襯板設計方案。
(6) 目前大型半自磨機襯板的最佳材質為珠光體鋼，橡膠襯板和鋼-橡復合襯板也可以在部分半自磨機襯板上應用。
引文格式：
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[1]岳建國，刁曉剛，岳衛(wèi)國，等.大型半自磨機筒體襯板結構設計方法與選材.[J].礦山機械,2023,51(6):36-40. |
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