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半自磨機(jī)襯板斷裂失效原因分析及對(duì)策研究

發(fā)布時(shí)間：

2024-06-25

來源：

      半自磨機(jī)襯板的作用是提升鋼球和物料，保護(hù)磨機(jī)筒體免受鋼球和物料破壞。受物料供應(yīng)、磨內(nèi)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、襯板結(jié)構(gòu)以及襯板選材等因素影響，半自磨機(jī)襯板存在斷裂失效問題?；诖?，分析了襯板斷裂失效的原因，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)從調(diào)試期鋼球加入量、襯板軸向高度分布、提升面角以及選材方面給出了解決措施。

      半自磨機(jī)自20 世紀(jì)50 年代起被廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展與改進(jìn)，技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)已成為選礦廠最重要的礦石處理設(shè)備，其兼具破碎和磨礦兩種功能，可以完成相當(dāng)于兩段或三段破碎篩分的碎磨作業(yè)。半自磨機(jī)轉(zhuǎn)速高，磨內(nèi)高頻次、高能量鋼球連續(xù)強(qiáng)烈地沖擊、磨剝可以破碎和粉磨礦石，主要用于濕式流程中粉磨各種硬度的礦石、巖石和其他適磨物料，具有生產(chǎn)率高、成本低等特點(diǎn)。磨機(jī)襯板的作用是提升鋼球和礦石，保護(hù)襯板免受鋼球直接沖擊及礦漿浸蝕，但由于半自磨機(jī)內(nèi)高頻次、高能量鋼球的連續(xù)沖擊和沖刷，會(huì)造成襯板超預(yù)期磨損和斷裂，特別是 φ8m 以上半自磨機(jī)襯板的服役工況惡劣，襯板斷裂導(dǎo)致的提前失效時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響襯板使用壽命，威脅磨機(jī)運(yùn)行安全。

1 半自磨機(jī)襯板斷裂失效原因分析

      半自磨機(jī)襯板的使用效果與襯板的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造質(zhì)量、鋼球硬度、鋼球充填量、礦石性質(zhì)、服役工況以及操作習(xí)慣等存在較為復(fù)雜的關(guān)系，是多種影響因素共同疊加作用的結(jié)果。襯板的非正常失效方式主要分為超預(yù)期磨損失效和斷裂失效。襯板斷裂失效會(huì)嚴(yán)重?cái)_亂生產(chǎn)節(jié)奏，并有可能造成磨機(jī)設(shè)備損傷，因此亟需對(duì)半自磨機(jī)襯板斷裂失效的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，并依據(jù)影響因素尋找切實(shí)可行的改進(jìn)措施。

1.1 磨機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定

      磨機(jī)調(diào)試期工況不穩(wěn)定，礦料供應(yīng)不足，磨機(jī)內(nèi)鋼球比例高。磨機(jī)調(diào)試期內(nèi)，由于設(shè)備故障或者調(diào)試不到位，頻繁啟停機(jī)，且每次停機(jī)前需要排出礦漿，磨機(jī)內(nèi)僅剩鋼球，再次啟動(dòng)時(shí)鋼球會(huì)重砸毫無保護(hù)的襯板。

1.2 磨機(jī)內(nèi)介質(zhì)運(yùn)行特點(diǎn)

      通常認(rèn)為半自磨機(jī)排料形式為格子型強(qiáng)制排料，物料通過格子板不斷向外排出，靠近該位置的物料料位較低，因此鋼球介質(zhì)對(duì)筒體襯板的沖砸情況較嚴(yán)重，靠近出料端的筒體襯板容易損壞。采用離散元方法對(duì) φ3.6m×2.1m 半自磨機(jī)筒體不同截面位置的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其質(zhì)量分布進(jìn)行分析，磨機(jī)不同截面的介質(zhì)質(zhì)量分布如圖1所示，靠近出料端蓋處介質(zhì)的運(yùn)行軌跡如圖2所示。

 

圖1 不同截面介質(zhì)質(zhì)量分布

 

圖2 靠近端蓋處介質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡

 

      由圖1可以看出，半自磨機(jī)內(nèi)部靠近端蓋的截面內(nèi)，鋼球質(zhì)量?jī)H為磨機(jī)中部介質(zhì)平均質(zhì)量的90%，因?yàn)榭拷松w處的料位較低，磨機(jī)中部截面的鋼球分布波動(dòng)較小。

      由圖2可以看出，料堆的趾部位于與豎軸夾角33.3°處，代表鋼球滑落形成料堆的極限位置。當(dāng)磨機(jī)內(nèi)鋼球等介質(zhì)拋落點(diǎn)位于33.3°附近時(shí)，破碎效率最高；當(dāng)介質(zhì)拋落點(diǎn)位于33.3°以外時(shí)，介質(zhì)開始直接沖擊襯板，從而導(dǎo)致襯板斷裂的概率增加。介質(zhì)拋落點(diǎn)最遠(yuǎn)可達(dá)與豎軸夾角68.8°處，這是導(dǎo)致靠近端蓋處襯板易開裂的重要原因。

1.3 襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷

      襯板結(jié)構(gòu)是影響磨機(jī)內(nèi)鋼球運(yùn)行軌跡和拋落點(diǎn)的重要因素。提升面角過小，鋼球被提升的高度大，拋落距離遠(yuǎn)，部分鋼球難以落在料堆趾部位置，會(huì)直接沖擊襯板，持續(xù)不斷地高能量沖擊造成襯板表面和內(nèi)部應(yīng)力不斷累積，最終形成裂紋或斷裂。

1.4 襯板選材與工況不匹配

      半自磨機(jī)襯板的鋼鐵基耐磨材料主要有四大類：奧氏體錳鋼、馬氏體鋼、珠光體鋼和抗磨白口鐵。隨著半自磨機(jī)大型化，全球最大的半自磨機(jī)規(guī)格已達(dá)到 φ13.41m×7.92m，破磨介質(zhì)的直徑最大可達(dá) φ150～φ200 mm，大型半自磨機(jī)襯板材料必須具備較高的硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度以抵抗襯板在使用過程中承受的巨大沖擊力和強(qiáng)有力沖刷。奧氏體錳鋼在中小型半自磨機(jī)襯板中使用廣泛，大型半自磨機(jī)應(yīng)用實(shí)踐證明，破磨介質(zhì)的沖砸會(huì)導(dǎo)致奧氏體錳鋼嚴(yán)重形變；馬氏體鋼硬度和強(qiáng)度高，但馬氏體組織脆性較大，大沖擊極易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；珠光體鋼可以通過調(diào)整 C 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(jī)對(duì)襯板的性能要求，硬度和沖擊韌性的可調(diào)整范圍大，被廣泛應(yīng)用于大型半自磨機(jī)中；抗磨白口鐵硬度高、脆性大，在大型半自磨機(jī)中使用較少。通常情況下，半自磨機(jī)內(nèi)不同部位破磨介質(zhì)的運(yùn)行狀況不同，襯板承受的沖擊存在較大差異，對(duì)襯板沖擊韌性和強(qiáng)度的要求也不相同。

      大型半自磨機(jī)中，大直徑破磨介質(zhì)高頻次、高能量的沖擊導(dǎo)致襯板使用工況惡劣，選材不恰當(dāng)或選材的硬度與沖擊韌性不匹配，襯板在使用過程中發(fā)生早期斷裂失效的概率較大。

2 半自磨機(jī)襯板斷裂失效對(duì)策

      礦石性質(zhì)、磨機(jī)轉(zhuǎn)速、臺(tái)效等對(duì)襯板斷裂影響較大，這屬于磨機(jī)運(yùn)行的固有屬性，雖然可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但調(diào)整范圍較小。通?？刹捎谜{(diào)整破磨介質(zhì)、優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)、合理選材和優(yōu)化制造工藝等手段有效解決襯板斷裂問題。

2.1 鋼球加入量

      磨機(jī)調(diào)試期內(nèi)，供料不足或系統(tǒng)不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致磨機(jī)啟停頻繁，磨內(nèi)鋼球充填率較高會(huì)導(dǎo)致襯板早期斷裂失效。為了避免襯板早期斷裂失效，調(diào)試期內(nèi)應(yīng)盡量減少鋼球填充量，待磨機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后再調(diào)整鋼球充填率。通常半自磨機(jī)鋼球填充率在7%～15% 之間，調(diào)試期鋼球填充率應(yīng)盡量控制在10% 以下。

2.2 筒體襯板軸向高度分布

      由1.2分析可知半自磨機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，半自磨機(jī)內(nèi)靠近端蓋處物料料位較低，且受端蓋上襯板的影響，鋼球的運(yùn)行軌跡復(fù)雜，鋼球介質(zhì)對(duì)筒體襯板的沖砸較嚴(yán)重。為解決這一難題，通過降低筒體襯板靠近端蓋處提升條的高度來控制鋼球的拋落，減少鋼球?qū)σr板的沖擊。而半自磨機(jī)的高磨損區(qū)域通常位于筒體中間部位，可以采用3D 掃描、G eomagic 分析等輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也可采用不同高磨損區(qū)域提升條高度不同的等壽命法進(jìn)行設(shè)計(jì)。筒體襯板軸向高度分布如圖3所示。

 

圖3 筒體襯板軸向高度分布

 

2.3 優(yōu)化筒體襯板的提升面角

      在磨機(jī)轉(zhuǎn)速和襯板高度一定的情況下，襯板提升面角越小，鋼球拋落的距離越遠(yuǎn)。當(dāng)拋落距離超過磨機(jī)內(nèi)料堆的趾部時(shí)，鋼球直接沖擊襯板，襯板斷裂概率增加。筒體襯板的提升面角隨襯板的磨損增大，襯板的提升能力隨之減小，對(duì)物料的破磨作用越來越小。襯板的提升面角采用專業(yè)襯板設(shè)計(jì)軟件 M illTraj進(jìn)行模擬，確保鋼球拋落于料堆的趾部，鋼球拋落軌跡模擬結(jié)果如圖4所示。筒體襯板的面角設(shè)計(jì)可以采用“上大下小”的變面角方案，變提升面角設(shè)計(jì)如圖5所示。由于不同區(qū)域磨損速度不同，除采用2.2中高磨損區(qū)域加高措施外，還可以采用高磨損區(qū)域到非高磨損區(qū)域變截面結(jié)構(gòu)，提高高磨損區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

 

圖4 鋼球拋落軌跡模擬

 

圖5 變提升面角設(shè)計(jì)

 

2.4 螺栓孔和底板加強(qiáng)

      提升條上的螺栓孔為襯板的薄弱部位，最易受到磨損，從而在螺栓孔處產(chǎn)生裂紋。設(shè)計(jì)時(shí)，通常在螺栓孔處設(shè)置加強(qiáng)臺(tái)來提高螺栓孔處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。螺栓孔加強(qiáng)通常采用半圓形、橢圓形或梯形，且與提升條相交部位應(yīng)圓滑過渡。為了減小加強(qiáng)臺(tái)對(duì)鋼球拋落軌跡的影響，兩側(cè)拔模斜度盡可能與提升條面角保持一致。

2.5 合理選材

      半自磨機(jī)襯板的選材，要同時(shí)兼顧高耐磨性和高沖擊韌性，還要避免襯板在沖擊下發(fā)生嚴(yán)重變形。目前大型半自磨機(jī)襯板的主流材質(zhì)為高碳低合金珠光體鋼。廣泛應(yīng)用于 φ5m 以上半自磨機(jī)的珠光體鋼，C含量通常在0.8%～1.0% 之間，主要合金元素為 C r、Mo，總含量低于5.0%，其特點(diǎn)為熱處理工藝簡(jiǎn)單，硬度和韌性匹配良好。φ10m 超大型半自磨機(jī)的發(fā)展，對(duì)襯板材料的抗沖擊性能提出了更高的要求。為了滿足超大型半自磨機(jī)襯板的使用要求，可以通過適當(dāng)降低 C 含量至0.5%～0.7%，增加 N i 含量至0.3%～0.5% 來提高襯板的沖擊韌性。但降低 C 含量后，需要通過降低熱處理裝爐密度、提高高溫階段的冷卻速度，來提高襯板的硬度及硬度均勻性。

3 結(jié)語

      半自磨機(jī)襯板斷裂失效的主要原因?yàn)檎{(diào)試期工況不穩(wěn)定，磨機(jī)內(nèi)鋼球比例較高；磨機(jī)啟停頻繁，鋼球長(zhǎng)時(shí)間直接沖擊襯板；半自磨機(jī)的運(yùn)行規(guī)律導(dǎo)致磨機(jī)內(nèi)靠近端蓋處物料料位較低，鋼球?qū)ν搀w襯板的沖砸情況較嚴(yán)重；襯板提升面角設(shè)計(jì)不合理，部分鋼球難以落在料堆趾部位置，直接沖擊襯板；襯板選材不合理，沖擊韌性低，承受沖擊導(dǎo)致疲勞斷裂。

      解決半自磨機(jī)襯板斷裂的主要對(duì)策有調(diào)試期內(nèi)嚴(yán)格控制鋼球充填率，通常低于10%；降低筒體襯板靠近端蓋處提升條高度來控制鋼球的拋落；筒體襯板的面角設(shè)計(jì)可以采用“上大下小”的變面角方案，兼顧避免早期斷裂和提高后期磨礦效率；目前大型半自磨機(jī)襯板選材最佳方案為高耐磨、高沖擊韌性的珠光體鋼方案，可以通過降低 C 含量、提高 Ni、Mo 合金含量來提高襯板的抗沖擊性能。

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