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淺析大型磨機襯板使用壽命的影響因素

發(fā)布時間：

2022-11-03

來源：

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我國鑄造耐磨材料經(jīng)過數(shù)十年的快速發(fā)展，現(xiàn)已較廣的應用于礦山、冶金、建材、電力及化工等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)鋼鐵耐磨鑄件年消耗 350萬 t以上，預計總需求量年增長 5%～ 10%。由此可以看出，耐磨材料產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。

　　我國鑄造耐磨材料經(jīng)過數(shù)十年的快速發(fā)展，現(xiàn)已較廣的應用于礦山、冶金、建材、電力及化工等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)鋼鐵耐磨鑄件年消耗 350萬 t以上，預計總需求量年增長 5%～ 10%。由此可以看出，耐磨材料產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。

　　近年來，隨著富礦的枯竭和金屬需求量的增加，需處理的礦石總量逐年增加。為了降低基建投資和生產(chǎn)費用，提升勞動生產(chǎn)率，礦用磨機尤其是自磨機、半自磨機的大型化已成為磨礦設(shè)備的主要發(fā)展趨勢。以美卓、中信重工等為代表的裝備企業(yè)較大地推動了磨礦設(shè)備的大型化發(fā)展。自 2003年至今，中信重工已成功自主研發(fā)世界***大 φ12.2 m 自磨機，以及國內(nèi)***大 φ11 m 半自磨機和 φ7.9 m 球磨機。

　　隨著磨機大型化和應用領(lǐng)域的多樣化，其裝配的襯板結(jié)構(gòu)日益大型化、復雜化，襯板服役工況愈發(fā)惡劣。磨機襯板主要用來保護磨機筒體，使其避免研磨體和物料的直接沖擊。隨著市場對磨機襯板的需求量和期望值的持續(xù)提升，大型磨機襯板的壽命問題變得愈加突出。筆者根據(jù)磨機襯板工業(yè)化應用現(xiàn)狀，簡要介紹影響其使用壽命的相關(guān)因素。

　　1 磨機的類型及規(guī)格

　　自磨機是一種兼有破碎和粉磨的磨礦設(shè)備，其工作原理是在一定的轉(zhuǎn)速下，作為磨礦介質(zhì)的物料因受到離心力和摩擦力的作用，被帶到一定的高度后在重力的作用下呈瀉落或拋落運動狀態(tài)，產(chǎn)生沖擊和磨剝作用，達到粉碎的目的。因物料比重小，拋落后對襯板的沖擊力較小，因此自磨機襯板的失效形式多為磨損失效。

　　半自磨機的工作原理與自磨機基本相同，區(qū)別在于除物料自身外，還添加部分磨球用來處理物料自磨時出現(xiàn)的部分頑石。磨球加強了物料及頑石的破碎效果，但同時磨球拋落過程中與襯板碰撞瞬間會產(chǎn)生巨大的沖擊力，對磨機襯板造成嚴重的沖擊，尤其在高球荷和低充填率的情況下這種現(xiàn)象更為明顯。目前大型半自磨機襯板失效形式主要為斷裂和磨損，且使用壽命一般僅為 2～ 6個月。

　　球磨機與半自磨機的破磨物料方式基本一致。目前磨礦工藝流程中，球磨作業(yè)一般設(shè)置在半自磨作業(yè)之后，進料粒度更細，磨球更小，襯板受到磨球和物料的沖擊小，其失效形式主要為磨粒磨損，使用壽命相對較長。大型球磨機襯板使用壽命一般為 10～ 12個月。

　　磨機規(guī)格對襯板壽命也有影響。隨著磨機規(guī)格的增加，物料或磨球被提升的高度增高，拋落向下的沖擊力增強，處理物料的能力增強，襯板的磨損加劇，尤其是半自磨機筒體襯板斷裂磨損相當嚴重。文獻[5]指出，采用 EDEM 仿真模擬技術(shù)研究 φ10.37 m 半自磨機發(fā)現(xiàn)，半自磨機每轉(zhuǎn)1圈，每塊襯板要承受大于 6×104 N 的沖擊力 449次，***大沖擊力達 1.31×106 N，襯板所受平均沖擊能量約 4 986 J，單個介質(zhì)對襯板的***大沖擊能量達 820 J。由此可見，磨機的規(guī)格越大，襯板承受的沖擊力越強，斷裂風險越高。

　　2 磨機運行工況

　　當磨機處于試運行期間，磨礦工藝參數(shù)處于摸索階段，給礦量不穩(wěn)定，磨球的加入時機、頻次及加入量也不固定;此外，因停機檢修造成磨機反復啟動，筒體內(nèi)物料少，磨球數(shù)量突然增加，襯板瞬間遭受巨大沖擊，斷裂風險增大。實踐表明，在磨機試運行期間，襯板斷裂嚴重，而磨損相對較輕，因此通常建議應優(yōu)先保證磨機內(nèi)綜合充填率，縮小磨球的加入規(guī)格、加入量及加入頻次，同時適當調(diào)整磨機轉(zhuǎn)速，為磨機正常運行積累數(shù)據(jù)，為襯板優(yōu)化提供可靠的方向。

　　當磨機處于正常運行期間，實際工況條件主要包括磨機轉(zhuǎn)速，物料充填率，磨球硬度、尺寸及充填率以及礦石屬性等幾個方面。

　　2.1 磨機轉(zhuǎn)速

　　磨機轉(zhuǎn)速對物料的破碎研磨效果影響很大。磨機轉(zhuǎn)速增加，磨球及物料整體的旋轉(zhuǎn)高度上升，拋落點增高且拋落距離增大，磨球的沖擊破碎動量增強。隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，襯板的沖擊磨損愈加嚴重。雖然提升磨機轉(zhuǎn)速可以快速提升磨機的處理能力，但同時常造成襯板斷裂而過早失效，有時還伴有磨機“吐球”及漏漿現(xiàn)象，增加了磨機檢修及襯板更換頻次，影響磨機運轉(zhuǎn)率。生產(chǎn)中需要根據(jù)襯板結(jié)構(gòu)及磨球充填率，選擇合適的磨機轉(zhuǎn)速。

　　2.2 物料充填率

　　當磨機轉(zhuǎn)速及磨球充填率穩(wěn)定時，物料給入量、礦塊組成及充填率對磨礦過程起決定性作用，及時掌握物料充填率是磨機穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵。物料充填率過高，磨礦的拋落高度差降低，破碎效率下降，磨機工作不穩(wěn)定，極易產(chǎn)生“漲肚”現(xiàn)象;物料充填率過低，筒體內(nèi)物料較少，厚度較薄，磨球直接沖擊襯板極易造成襯板斷裂失效，甚至在螺栓孔處發(fā)生漏漿現(xiàn)象，影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。實踐表明，半自磨機綜合充填率以 25%～30% 為宜;物料質(zhì)量和塊度配比基本不變，一般大小塊各占 50%。只有保持穩(wěn)定的物料填充率，磨機才能發(fā)揮良好的破碎研磨效果。

　　2.3 磨球的硬度、尺寸及充填率

　　磨球的硬度、尺寸及充填率等因素對襯板的使用及磨礦效果有重要影響。磨球與襯板的合理匹配是改善破磨效率、降低生產(chǎn)成本的有效途徑，是提升襯板使用壽命的關(guān)鍵。磨球與襯板的耐磨性是相對的關(guān)系，磨機內(nèi)磨球、襯板與物料組成一個磨料磨損系統(tǒng)，磨球和襯板的磨損方式是伴隨有沖擊載荷的三體磨料磨損。

　　(1)磨球硬度 磨球硬度提升，襯板抗磨損能力下降，即襯板的使用壽命降低;磨球硬度低于襯板硬度時，磨球的抗磨損能力降低，磨球消耗過大，生產(chǎn)成本提升。

　　(2)磨球尺寸 磨球大小是決定磨礦效果的一個關(guān)鍵因素。實踐表明，磨球大小和給料粒度之間存在一定的關(guān)系。在物料較硬、粒度較大時，較大的磨球、一定磨球充填率，可獲得良好的破碎研磨效果。磨球越大，其勢能越大，拋落過程中磨球?qū)σr板的沖擊越大，襯板使用壽命越短。實際磨礦過程中單一尺寸的介質(zhì)運動不能滿足磨礦效果，只有將不同尺寸的介質(zhì)混合匹配，才能提升磨礦效率。

　　(3)磨球充填率 磨球充填率也是影響磨機粉磨效率的一個重要因素。在筒體容積一定的條件下，提升磨球充填率可增加粉碎物料的有效介質(zhì)，磨機處理能力增加;但磨球充填率過高，沖擊次數(shù)過多，研磨面積過大，磨球和襯板磨損嚴重，尤其在半自磨機物料供給不足時，襯板會斷裂甚至掉塊，危及筒體安全。通常磨球充填率的選擇應遵循以下規(guī)律：當物料粒度、硬度較大時，可適當提升磨球充填率;磨機轉(zhuǎn)速較高時，充填率可以稍低一些。

　　2.4 礦石屬性

　　礦石自身屬性對磨礦效率也有一定影響。礦體、礦段、成因的不同造成礦石性質(zhì)存在一定差異，磨礦效率往往存在很大波動，尤其是礦石硬度變化嚴重影響磨機的穩(wěn)定性。

　　礦石的碎磨特性參數(shù)，諸如邦德球磨功指數(shù)、礦石的磨蝕指數(shù)及 JK Tech 落重試驗參數(shù) (ta、DWi)、礦石的可磨度或可磨度系數(shù)等需通過試驗獲取。目前常參照礦石 A×b 值和邦德球磨功指數(shù) BWi 值表征礦石的軟硬程度。A×b 值越小，說明礦石越難破碎;反之，說明礦石越易破碎。球磨功指數(shù) BWi 值越大，說明礦石越難磨;反之，說明礦石越易磨。

　　礦石的破碎、研磨難易程度對磨機襯板及磨球產(chǎn)生重要影響。礦石難破碎、難研磨，需要的破磨能量增加，磨球與物料、磨球與襯板之間沖擊及揉搓力增強，襯板斷裂風險大，磨損嚴重。如國內(nèi)某鉬礦，礦石 A×b<30.邦德球磨功指數(shù)大于 15.屬于極硬礦，該礦磨機采用 φ150 mm 磨球時，運行初期和中期襯板均發(fā)生大量斷裂，需要頻繁更換襯板，嚴重影響磨機的運轉(zhuǎn)率。因此襯板的結(jié)構(gòu)設(shè)計及選材需同時考慮礦石屬性。

　　3 襯板結(jié)構(gòu)

　　襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響磨機性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需與選礦工藝合理匹配，以使磨機處于***佳運行狀態(tài)。襯板結(jié)構(gòu)對磨機的產(chǎn)能、能耗、破碎質(zhì)量等方面有直接影響，可以說磨機襯板的設(shè)計優(yōu)劣對磨機運行起著至關(guān)重要的作用。合理的襯板設(shè)計能夠降低物料對筒體不必要的沖擊，磨礦效率達到***高值，能耗達到***低值。襯板的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括襯板高度、襯板面角及襯板間隙等。

　　(1)襯板高度 襯板高度增加可以提升磨球及物料的沖擊力，有利于改善物料的破碎效果。田秋娟等人指出，在一定轉(zhuǎn)速下，當襯板高度由 50 mm 提升至 200 mm 時，***高沖擊能量由 53.45 J 增加到 80.91 J，與此同時，襯板受到的沖擊、磨損加劇。襯板高度增加還會引起一些不利影響，一方面減小磨機筒體容積，進而減小介質(zhì)有效工作空間，降低磨機效率;另一方面，大量介質(zhì)與礦料處于筒體與襯板接觸區(qū)域形成的研磨死角，降低了磨礦效率。提升條高度一般為磨料或介質(zhì)半徑的奇數(shù)倍，該倍數(shù)通常選取 1～3.當磨機轉(zhuǎn)速一定時，襯板提升條高度增加，提升物料的能力增強，沖擊能量也相應增加。

　　(2)襯板面角 襯板面角也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)之一。改變筒體提升條面角會改變磨球、物料在筒體內(nèi)的運動軌跡，從而改變物料與磨球在磨機內(nèi)的沖擊點。付開進發(fā)現(xiàn)，在同一轉(zhuǎn)速下，襯板面角增大，提升作用降低，處于拋落狀態(tài)的物料和磨球數(shù)量減少，對物料的沖擊破碎效果減弱;襯板面角變小，磨球和礦料對襯板的沖擊與磨削作用增強。在磨機運行過程中，襯板面角隨著磨損而增大，進而改變了介質(zhì)運動效果。實踐表明，當筒體襯板面角設(shè)計不當，襯板會斷裂，尤其物料填充率低時這種現(xiàn)象更加明顯。這是因為低的物料充填率對襯板的保護作用弱，因此襯板極易發(fā)生斷裂。為獲得較好的磨礦效果，襯板的***佳面角需隨磨機轉(zhuǎn)速而調(diào)整，轉(zhuǎn)速較高時，襯板面角應適當增大。

　　(3)襯板間隙 襯板間隙指襯板提升條之間的間距，由襯板排列數(shù)量決定。合理的提升條間隙可***大限度增加物料的提升率，并避免夾料現(xiàn)象，從而提升磨機的性能。襯板排列數(shù)量增加，物料破碎效果提升。傳統(tǒng)設(shè)計中，筒體襯板排列數(shù)量大約等于筒體直徑 (英尺)的 2倍。減少部分提升條數(shù)量可增加提升條間料倉的體積，同時提升磨機每轉(zhuǎn)動一圈需提升的料漿，磨礦效率大幅度提升。在提升條空間寬闊的條件下，一方面物料易滑動，物料整體提升能力下降，襯板磨損加劇;另一方面，物料拋落較為分散。為達到良好的磨礦效果，通常通過增加磨機轉(zhuǎn)速來提升物料的提升能力，但磨球及物料對襯板的沖擊也隨之增強。加寬襯板，與筒體貼合不牢時開裂風險加劇。實踐中，當襯板間隙增大時，襯板面角應適當增大，以避免磨球?qū)訉捯r板的直接沖擊。

　　劉建平等人利用離散元分析軟件 (EDEM)對半自磨機襯板的提升條排數(shù)、提升條面角、提升條高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，顯著提升了襯板的使用壽命。蔡興健等人通過階梯式優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)，使襯板整體磨損速率趨向一致，減少了襯板更換次數(shù)，磨礦細度提高到約 73%，同時有效降低了襯板采購成本。張浩對比了磁性襯板+溢流型排礦、錳鋼梯形襯板+格子型強制排礦、錳鋼梯形襯板+溢流型排礦等 3種襯板與排礦方式對再磨產(chǎn)品粒度的影響，結(jié)果表明，在其他磨礦條件相同時，不同襯板和排礦方式對再磨產(chǎn)品粒級組成有較大影響，影響后續(xù)選別作業(yè)。

　　4 襯板材料

　　多年來，國內(nèi)外材料工作者對耐磨材料進行了較廣的而深入的研究，隨著國際學術(shù)及技術(shù)交流的增多、國際貿(mào)易的發(fā)展，我國耐磨材料及耐磨鑄件業(yè)發(fā)展迅速。目前，我國已形成了高錳鋼、高鉻鑄鐵、合金鋼、耐磨球鐵和鋼鐵基復合材料等五大系列耐磨產(chǎn)品。

　　(1)高錳鋼 高錳鋼受劇烈沖擊或接觸應力時，表面迅速硬化，芯部韌性仍較好，因而高錳鋼既抗磨損又抗沖擊的特點在抗強沖擊、大壓力方面是其他耐磨材料難以企及的。目前高錳鋼主要用于高沖擊負荷下的大型破碎機產(chǎn)品，如大型破碎機定錐襯板、動錐襯板、顎板、錘頭，挖掘機鏟齒及鐵道轍叉等。在高錳鋼基礎(chǔ)上發(fā)展了合金化改性高錳鋼、中錳鋼、低錳鋼，用于低沖擊負荷或低應力磨損工況;同時為改善厚大斷面錳鋼鑄件的組織和性能，發(fā)展了超高錳鋼。在礦山領(lǐng)域，高錳鋼起初應用于小型球磨機襯板，隨著襯板材料的發(fā)展，在大型球磨機及半自磨機襯板中開始逐漸使用合金化改性高錳鋼、中錳鋼。但因工況、磨機規(guī)格的不同，襯板使用壽命表現(xiàn)不一。目前高錳鋼襯板的主要問題是在大型磨機中易斷裂、延展變形，造成襯板拆卸困難，嚴重時將螺栓拉斷。這是因為高錳鋼屈服強度低，襯板在使用過程中受物料和磨球的不斷沖擊引起表面發(fā)生相變，造成局部體積增大和切向尺寸加大。

　　(2)高鉻鑄鐵 高鉻鑄鐵具有高耐磨性、高溫強度及耐熱性，被譽為繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵之后的第3代抗磨材料。目前高鉻鑄鐵已較廣的應用于礦山磨球、渣漿泵過流件、破碎機顎板、立磨襯板以及攪拌磨螺旋襯板等。高鉻鑄鐵雖然有高硬度及高耐磨性，但其韌性相對較差，僅 5～ 7 J/cm2.尤其不適用于強沖擊載荷工況的半自磨機，故做為磨機襯板其應用受到一定***。為了充分發(fā)揮其高耐磨性的特點，目前已嘗試在沖擊較弱的磨粒磨損工況下使用高鉻鑄鐵襯板。如自磨機進料端高鉻鑄鐵襯板較其他材質(zhì)襯板使用壽命提升近 1倍，φ5 m 球磨機筒體壽命可延長至 2年。鑒于高鉻鑄鐵成本高、易開裂及性價比低的特點，今后需通過成分及工藝優(yōu)化，逐步擴大其在磨機領(lǐng)域的應用。

　　(3)合金鋼 合金鋼分為低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金和低碳高合金等幾種，其化學成分中通常含有一定量 Cr 和 Mo，有的則含有較高的 Si 和Mn，熱處理后其組織為回火馬氏體或珠光體、碳化物。通過化學成分及熱處理的合理搭配，合金鋼可獲得高的硬度及良好的韌性，目前在濕式磨機襯板應用上已取得了成效。低合金珠光體鋼硬度 300～400HB，經(jīng)得起反復沖擊，同時因其尺寸穩(wěn)定性好，拆卸方便，目前已在 φ6 m 以上的大型半自磨機襯板上得到了較廣的應用。經(jīng)驗表明，在沖擊磨料磨損工況下，單一追求高硬度而忽視材料的韌性將使襯板開裂率增大，同時其表面形成的微裂紋會加速基體磨損。因此合金鋼的發(fā)展方向是高強度、高硬度和良好韌性的合理配合，以***提升其抗沖擊和耐磨損能力。

　　(4)耐磨球鐵 耐磨球鐵現(xiàn)有馬氏體耐磨球鐵和貝氏體-馬氏體耐磨球鐵，這兩種耐磨球鐵通過液淬熱處理獲得高硬度及一定的韌性，目前已應用于球磨機襯板、磨球等耐磨件。等溫淬火球鐵具有高強度、一定韌性和良好的加工硬化特性，目前在國內(nèi)外已廣泛應用于磨機磨球、齒輪、凸輪軸、汽車牽引鉤等易磨損件。

　　(5)鋼鐵基復合材料 鋼鐵基復合材料是近年國內(nèi)外耐磨材料研究開發(fā)的熱點之一。我國鋼鐵基耐磨復合材料經(jīng)歷了雙液雙金屬材料、高鉻鐵-鋼鑲鑄材料、高鉻鐵-鋼機械組合材料及鋼-橡膠復合材料等幾個階段。雙液雙金屬復合材料已應用于破碎機錘頭、破碎機襯板等耐磨件，且具有一定的沖擊韌性和高硬度，產(chǎn)品壽命得到提升。目前，球磨機襯板也在逐步嘗試采用雙液雙金屬復合材料，但尚需長期工業(yè)化驗證。鋼-橡膠復合材料具有質(zhì)量輕、耐磨等特點，有利于降低磨機運行功率和成本，目前已廣泛應用于大型自磨/半自磨機出料端襯板，且獲得了用戶的肯定。

　　5 結(jié)語

　　綜上所述，影響磨機襯板使用壽命的因素眾多，因此，大型磨機襯板的壽命評估需要綜合考慮磨機選型、運行工況、襯板結(jié)構(gòu)和襯板材料等諸多因素。針對客戶需求，只有選擇各種因素相匹配的襯板，才能減少停機次數(shù)，從而有效提升磨機磨礦效率及產(chǎn)能。

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