导读
随着磨机大型化,衬板使用寿命问题变得愈加突出。介绍了影响磨机衬板使用寿命的各种因素,包括磨机类型及规格、磨机转速、物料和磨球填充率、矿石属性、衬板结构及衬板材料等。分析发现,只有综合考虑各种影响因素,才能有效提高大型磨机衬板的使用寿命。
我国铸造耐磨材料经过数十年的快速发展,现已广泛应用于矿山、冶金、建材、电力及化工等行业。据统计,国内钢铁耐磨铸件年消耗 350万 t以上。由此可以看出,耐磨材料产业具有广阔的发展前景。
近年来,随着富矿的枯竭和金属需求量的增加,需处理的矿石总量逐年增加。为了降低基建投资和生产费用,提高劳动生产率,矿用磨机尤其是自磨机、半自磨机的大型化已成为磨矿设备的主要发展趋势。以美卓、中信重工等为代表的装备企业极大地推动了磨矿设备的大型化发展。自 2003年至今,中信重工已成功自主研发 φ12.2 m 自磨机,以及国内 φ11 m 半自磨机和 φ7.9 m 球磨机。
随着磨机大型化和应用领域的多样化,其装配的衬板结构日益大型化、复杂化,衬板服役工况愈发恶劣。磨机衬板主要用来保护磨机筒体,使其避免研磨体和物料的直接冲击。随着市场对磨机衬板的需求量和期望值的持续提高,大型磨机衬板的寿命问题变得愈加突出。笔者根据磨机衬板工业化应用现状,简要介绍影响其使用寿命的相关因素。
自磨机是一种兼有破碎和粉磨的磨矿设备,其工作原理是在一定的转速下,作为磨矿介质的物料因受到离心力和摩擦力的作用,被带到一定的高度后在重力的作用下呈泻落或抛落运动状态,产生冲击和磨剥作用,达到粉碎的目的。因物料比重小,抛落后对衬板的冲击力较小,因此自磨机衬板的失效形式多为磨损失效。
半自磨机的工作原理与自磨机基本相同,区别在于除物料自身外,还添加部分磨球用来处理物料自磨时出现的部分顽石。磨球加强了物料及顽石的破碎效果,但同时磨球抛落过程中与衬板碰撞瞬间会产生巨大的冲击力,对磨机衬板造成严重的冲击,尤其在高球荷和低充填率的情况下这种现象更为明显。目前大型半自磨机衬板失效形式主要为断裂和磨损,且使用寿命一般仅为 2~ 6个月。
球磨机与半自磨机的破磨物料方式基本一致。目前磨矿工艺流程中,球磨作业一般设置在半自磨作业之后,进料粒度更细,磨球更小,衬板受到磨球和物料的冲击小,其失效形式主要为磨粒磨损,使用寿命相对较长。大型球磨机衬板使用寿命一般为 10~ 12个月。
磨机规格对衬板寿命也有影响。随着磨机规格的增加,物料或磨球被提升的高度增高,抛落向下的冲击力增强,处理物料的能力增强,衬板的磨损加剧,尤其是半自磨机筒体衬板断裂磨损相当严重。文献[5]指出,采用 EDEM 仿真模拟技术研究 φ10.37 m 半自磨机发现,半自磨机每转1圈,每块衬板要承受大于 6×104 N 的冲击力 449次,冲击力达 1.31×106 N,衬板所受平均冲击能量约 4 986 J,单个介质对衬板的冲击能量达 820 J。由此可见,磨机的规格越大,衬板承受的冲击力越强,断裂风险越高。
当磨机处于试运行期间,磨矿工艺参数处于摸索阶段,给矿量不稳定,磨球的加入时机、频次及加入量也不固定;此外,因停机检修造成磨机反复启动,筒体内物料少,磨球数量突然增加,衬板瞬间遭受巨大冲击,断裂风险增大。实践表明,在磨机试运行期间,衬板断裂严重,而磨损相对较轻,因此通常建议应优先..磨机内综合充填率,缩小磨球的加入规格、加入量及加入频次,同时适当调整磨机转速,为磨机正常运行积累数据,为衬板优化提供可靠的方向。
当磨机处于正常运行期间,实际工况条件主要包括磨机转速,物料充填率,磨球硬度、尺寸及充填率以及矿石属性等几个方面。
磨机转速对物料的破碎研磨效果影响很大。磨机转速增加,磨球及物料整体的旋转高度上升,抛落点增高且抛落距离增大,磨球的冲击破碎动量增强。随着循环冲击次数的增加,衬板的冲击磨损愈加严重。虽然提高磨机转速可以快速提高磨机的处理能力,但同时常造成衬板断裂而过早失效,有时还伴有磨机“吐球”及漏浆现象,增加了磨机检修及衬板更换频次,影响磨机运转率。生产中需要根据衬板结构及磨球充填率,选择合适的磨机转速。
当磨机转速及磨球充填率稳定时,物料给入量、矿块组成及充填率对磨矿过程起决定性作用,及时掌握物料充填率是磨机稳定生产的关键。物料充填率过高,磨矿的抛落高度差降低,破碎效率下降,磨机工作不稳定,易产生“涨肚”现象;物料充填率过低,筒体内物料较少,厚度较薄,磨球直接冲击衬板易造成衬板断裂失效,甚至在螺栓孔处发生漏浆现象,影响设备的正常运转。实践表明,半自磨机综合充填率以 25%~30% 为宜;物料质量和块度配比基本不变,一般大小块各占 50%。只有保持稳定的物料填充率,磨机才能发挥良好的破碎研磨效果。
磨球的硬度、尺寸及充填率等因素对衬板的使用及磨矿效果有重要影响。磨球与衬板的合理匹配是改善破磨效率、降低生产成本的有效途径,是提高衬板使用寿命的关键。磨球与衬板的耐磨性是相对的关系,磨机内磨球、衬板与物料组成一个磨料磨损系统,磨球和衬板的磨损方式是伴随有冲击载荷的三体磨料磨损。
(1)磨球硬度 磨球硬度提高,衬板抗磨损能力下降,即衬板的使用寿命降低;磨球硬度低于衬板硬度时,磨球的抗磨损能力降低,磨球消耗过大,生产成本提高。
(2)磨球尺寸 磨球大小是决定磨矿效果的一个关键因素。实践表明,磨球大小和给料粒度之间存在一定的关系。在物料较硬、粒度较大时,较大的磨球、一定磨球充填率,可获得良好的破碎研磨效果。磨球越大,其势能越大,抛落过程中磨球对衬板的冲击越大,衬板使用寿命越短。实际磨矿过程中单一尺寸的介质运动不能满足磨矿效果,只有将不同尺寸的介质混合匹配,才能提高磨矿效率。
(3)磨球充填率 磨球充填率也是影响磨机粉磨效率的一个重要因素。在筒体容积一定的条件下,提高磨球充填率可增加粉碎物料的有效介质,磨机处理能力增加;但磨球充填率过高,冲击次数过多,研磨面积过大,磨球和衬板磨损严重,尤其在半自磨机物料供给不足时,衬板会断裂甚至掉块,危及筒体..。通常磨球充填率的选择应遵循以下规律:当物料粒度、硬度较大时,可适当提高磨球充填率;磨机转速较高时,充填率可以稍低一些。
矿石自身属性对磨矿效率也有一定影响。矿体、矿段、成因的不同造成矿石性质存在一定差异,磨矿效率往往存在很大波动,尤其是矿石硬度变化严重影响磨机的稳定性。
矿石的碎磨特性参数,诸如邦德球磨功指数、矿石的磨蚀指数及 JK Tech 落重试验参数 (ta、DWi)、矿石的可磨度或可磨度系数等需通过试验获取。目前常参照矿石 A×b 值和邦德球磨功指数 BWi 值表征矿石的软硬程度。A×b 值越小,说明矿石越难破碎;反之,说明矿石越易破碎。球磨功指数 BWi 值越大,说明矿石越难磨;反之,说明矿石越易磨。
矿石的破碎、研磨难易程度对磨机衬板及磨球产生重要影响。矿石难破碎、难研磨,需要的破磨能量增加,磨球与物料、磨球与衬板之间冲击及揉搓力增强,衬板断裂风险大,磨损严重。如国内某钼矿,矿石 A×b<30,邦德球磨功指数大于 15,属于硬矿,该矿磨机采用 φ150 mm 磨球时,运行初期和中期衬板均发生大量断裂,需要频繁更换衬板,严重影响磨机的运转率。因此衬板的结构设计及选材需同时考虑矿石属性。
衬板结构设计是影响磨机性能的关键环节,需与选矿工艺合理匹配,以使磨机处于较佳运行状态。衬板结构对磨机的产能、能耗、破碎质量等方面有直接影响,可以说磨机衬板的设计优劣对磨机运行起着至关重要的作用。合理的衬板设计能够降低物料对筒体不必要的冲击,磨矿效率达到高值,能耗达到低值。衬板的结构参数主要包括衬板高度、衬板面角及衬板间隙等。
(1)衬板高度 衬板高度增加可以提高磨球及物料的冲击力,有利于改善物料的破碎效果。田秋娟等人指出,在一定转速下,当衬板高度由 50 mm 提高至 200 mm 时,冲击能量由 53.45 J 增加到 80.91 J,与此同时,衬板受到的冲击、磨损加剧。衬板高度增加还会引起一些不利影响,一方面减小磨机筒体容积,进而减小介质有效工作空间,降低磨机效率;另一方面,大量介质与矿料处于筒体与衬板接触区域形成的研磨死角,降低了磨矿效率。提升条高度一般为磨料或介质半径的奇数倍,该倍数通常选取 1~3。当磨机转速一定时,衬板提升条高度增加,提升物料的能力增强,冲击能量也相应增加。
(2)衬板面角 衬板面角也是结构设计的重要参数之一。改变筒体提升条面角会改变磨球、物料在筒体内的运动轨迹,从而改变物料与磨球在磨机内的冲击点。付开进发现,在同一转速下,衬板面角增大,提升作用降低,处于抛落状态的物料和磨球数量减少,对物料的冲击破碎效果减弱;衬板面角变小,磨球和矿料对衬板的冲击与磨削作用增强。在磨机运行过程中,衬板面角随着磨损而增大,进而改变了介质运动效果。实践表明,当筒体衬板面角设计不当,衬板会断裂,尤其物料填充率低时这种现象更加明显。这是因为低的物料充填率对衬板的保护作用弱,因此衬板易发生断裂。为获得较好的磨矿效果,衬板的面角需随磨机转速而调整,转速较高时,衬板面角应适当增大。
(3)衬板间隙 衬板间隙指衬板提升条之间的间距,由衬板排列数量决定。合理的提升条间隙可增加物料的提升率,并避免夹料现象,从而提高磨机的性能。衬板排列数量增加,物料破碎效果提高。传统设计中,筒体衬板排列数量大约等于筒体直径 (英尺)的 2倍。减少部分提升条数量可增加提升条间料仓的体积,同时提高磨机每转动一圈需提升的料浆,磨矿效率大幅度提高。在提升条空间宽阔的条件下,一方面物料易滑动,物料整体提升能力下降,衬板磨损加剧;另一方面,物料抛落较为分散。为达到良好的磨矿效果,通常通过增加磨机转速来提高物料的提升能力,但磨球及物料对衬板的冲击也随之增强。加宽衬板,与筒体贴合不牢时开裂风险加剧。实践中,当衬板间隙增大时,衬板面角应适当增大,以避免磨球对加宽衬板的直接冲击。
刘建平等人利用离散元分析软件 (EDEM)对半自磨机衬板的提升条排数、提升条面角、提升条高度等结构参数进行了优化,显著提高了衬板的使用寿命。蔡兴健等人通过阶梯式优化衬板结构,使衬板整体磨损速率趋向一致,减少了衬板更换次数,磨矿细度提高到约 73%,同时有效降低了衬板采购成本。张浩对比了磁性衬板+溢流型排矿、锰钢梯形衬板+格子型强制排矿、锰钢梯形衬板+溢流型排矿等 3种衬板与排矿方式对再磨产品粒度的影响,结果表明,在其他磨矿条件相同时,不同衬板和排矿方式对再磨产品粒级组成有较大影响,影响后续选别作业。
多年来,国内外材料工作者对耐磨材料进行了广泛而深入的研究,随着..学术及技术交流的增多、..贸易的发展,我国耐磨材料及耐磨铸件业发展迅速。目前,我国已形成了高锰钢、高铬铸铁、合金钢、耐磨球铁和钢铁基复合材料等五大系列耐磨产品。
(1)高锰钢 高锰钢受剧烈冲击或接触应力时,表面迅速硬化,芯部韧性仍较好,因而高锰钢既抗磨损又抗冲击的特点在抗强冲击、大压力方面是其他耐磨材料难以企及的。目前高锰钢主要用于高冲击负荷下的大型破碎机产品,如大型破碎机定锥衬板、动锥衬板、颚板、锤头,挖掘机铲齿及铁道辙叉等。在高锰钢基础上发展了合金化改性高锰钢、中锰钢、低锰钢,用于低冲击负荷或低应力磨损工况;同时为改善厚大断面锰钢铸件的组织和性能,发展了**锰钢。在矿山领域,高锰钢起初应用于小型球磨机衬板,随着衬板材料的发展,在大型球磨机及半自磨机衬板中开始逐渐使用合金化改性高锰钢、中锰钢。但因工况、磨机规格的不同,衬板使用寿命表现不一。目前高锰钢衬板的主要问题是在大型磨机中易断裂、延展变形,造成衬板拆卸困难,严重时将螺栓拉断。这是因为高锰钢屈服强度低,衬板在使用过程中受物料和磨球的不断冲击引起表面发生相变,造成局部体积增大和切向尺寸加大。
(2)高铬铸铁 高铬铸铁具有高耐磨性、高温强度及耐热性,被誉为继普通白口铸铁、镍硬铸铁之后的第3代抗磨材料。目前高铬铸铁已广泛应用于矿山磨球、渣浆泵过流件、破碎机颚板、立磨衬板以及搅拌磨螺旋衬板等。高铬铸铁虽然有高硬度及高耐磨性,但其韧性相对较差,仅 5~ 7 J/cm2,尤其不适用于强冲击载荷工况的半自磨机,故做为磨机衬板其应用受到一定限制。为了充分发挥其高耐磨性的特点,目前已尝试在冲击较弱的磨粒磨损工况下使用高铬铸铁衬板。如自磨机进料端高铬铸铁衬板较其他材质衬板使用寿命提高近 1倍,φ5 m 球磨机筒体寿命可延长至 2年。鉴于高铬铸铁成本高、易开裂及性价比低的特点,今后需通过成分及工艺优化,逐步扩大其在磨机领域的应用。
(3)合金钢 合金钢分为低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金和低碳高合金等几种,其化学成分中通常含有一定量 Cr 和 Mo,有的则含有较高的 Si 和Mn,热处理后其组织为回火马氏体或珠光体、碳化物。通过化学成分及热处理的合理搭配,合金钢可获得高的硬度及良好的韧性,目前在湿式磨机衬板应用上已取得了成效。低合金珠光体钢硬度 300~400HB,经得起反复冲击,同时因其尺寸稳定性好,拆卸方便,目前已在 φ6 m 以上的大型半自磨机衬板上得到了广泛应用。经验表明,在冲击磨料磨损工况下,单一追求高硬度而忽视材料的韧性将使衬板开裂率增大,同时其表面形成的微裂纹会加速基体磨损。因此合金钢的发展方向是高强度、高硬度和良好韧性的合理配合,以提高其抗冲击和耐磨损能力。
(4)耐磨球铁 耐磨球铁现有马氏体耐磨球铁和贝氏体-马氏体耐磨球铁,这两种耐磨球铁通过液淬热处理获得高硬度及一定的韧性,目前已应用于球磨机衬板、磨球等耐磨件。等温淬火球铁具有高强度、一定韧性和良好的加工硬化特性,目前在国内外已广泛应用于磨机磨球、齿轮、凸轮轴、汽车牵引钩等易磨损件。
(5)钢铁基复合材料 钢铁基复合材料是近年国内外耐磨材料研究开发的热点之一。我国钢铁基耐磨复合材料经历了双液双金属材料、高铬铁-钢镶铸材料、高铬铁-钢机械组合材料及钢-橡胶复合材料等几个阶段。双液双金属复合材料已应用于破碎机锤头、破碎机衬板等耐磨件,且具有一定的冲击韧性和高硬度,产品寿命得到提高。目前,球磨机衬板也在逐步尝试采用双液双金属复合材料,但尚需长期工业化验证。钢-橡胶复合材料具有质量轻、耐磨等特点,有利于降低磨机运行功率和成本,目前已广泛应用于大型自磨/半自磨机出料端衬板,且获得了用户的肯定。
综上所述,影响磨机衬板使用寿命的因素众多,因此,大型磨机衬板的寿命评估需要综合考虑磨机选型、运行工况、衬板结构和衬板材料等诸多因素。针对客户需求,只有选择各种因素相匹配的衬板,才能减少停机次数,从而有效提高磨机磨矿效率及产能。
引文格式:
[1]刁晓刚,李卫,王春民,等 .浅析大型磨机衬板使用寿命的影响因素.[J].矿山机械,2019,47(11):40-44. |
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