大型半自磨機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用

刁曉剛，李 衛(wèi)，王春民，程艷艷，張志勇，姬建鋼

1中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

2暨南大學(xué)先進(jìn)耐磨蝕及功能材料研究院 廣東廣州 510632

在 眾多磨礦設(shè)備中，半自磨機(jī)因其磨礦流程短、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)在各類(lèi)大型礦山中廣泛應(yīng)用[1]。隨著磨礦工藝需求增加、研發(fā)設(shè)計(jì)能力提升及重型裝備制造業(yè)的發(fā)展，半自磨機(jī)大型化已成為一種趨勢(shì)[2]。

半自磨機(jī)是由進(jìn)料端蓋、筒體部以及出料端蓋等零件組成的回轉(zhuǎn)體。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，磨機(jī)襯板起到一定的保護(hù)作用，防止研磨介質(zhì)和物料的沖擊對(duì)筒體的破壞性磨損；同時(shí)使物料和介質(zhì)在拋落及瀉落時(shí)產(chǎn)生研磨效果，達(dá)到粉磨礦石的目的。磨機(jī)襯板設(shè)計(jì)是決定磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，其結(jié)構(gòu)合理與否對(duì)磨機(jī)性能、襯板使用壽命及磨礦效果產(chǎn)生重要影響。隨著磨機(jī)規(guī)格增大和自動(dòng)化程度的提高，襯板磨損問(wèn)題已變得越來(lái)越突出。襯板斷裂、耐磨性差導(dǎo)致襯板更換頻繁，使磨礦成本提高、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率降低，最終對(duì)磨礦效率產(chǎn)生重大影響。

筆者結(jié)合國(guó)內(nèi)某大型銅礦φ11.0 m×5.4 m 半自磨機(jī)筒體襯板的實(shí)際應(yīng)用狀況，對(duì)襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以提高磨礦效率，降低綜合運(yùn)營(yíng)成本。

1 磨機(jī)運(yùn)行工況

φ11.0 m×5.4 m 半自磨機(jī)是中信重工獨(dú)立研發(fā)的雙驅(qū)變頻磨機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 半自磨機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of SAG mill

碎磨工藝采用目前國(guó)內(nèi)外使用較為廣泛的 SABC流程，即一段破碎+半自磨機(jī)+球磨機(jī)+頑石破碎機(jī)。該半自磨機(jī)為開(kāi)路系統(tǒng)，經(jīng)振動(dòng)篩分級(jí)后，篩上頑石不再返回半自磨機(jī)，而是直接進(jìn)入堆浸工藝，篩下礦漿經(jīng)旋流器分級(jí)與球磨機(jī)構(gòu)成閉路系統(tǒng)。具體工藝流程如圖 1 所示。

礦石性質(zhì)試驗(yàn)對(duì)設(shè)備選型及最終磨礦工藝流程的確定有直接影響。目前礦石性質(zhì)試驗(yàn)主要有澳大利亞JK Tech 公司的 DWT 試驗(yàn)、Bond 系列功指數(shù)試驗(yàn)、高壓輥磨試驗(yàn)及立式攪拌磨試驗(yàn)等[3-4]。澳大利亞 JK Tech 公司 DWT 試驗(yàn)是對(duì)礦石的抗沖擊破碎性能進(jìn)行評(píng)估，表征參數(shù)為A×b[3]：A×b數(shù)值越小，礦石越難破碎；反之，礦石易破碎。Bond 理論[5]中BWi為球磨功指數(shù)，反映了礦石研磨性能的難易程度：BWi數(shù)值越大，礦石越難研磨；反之，礦石易研磨。

圖1 SABC 破磨工藝流程Fig.1 SABC crushing and grinding process

通過(guò)對(duì)該礦礦石屬性分析可知，礦石主要為花崗巖型硫化銅礦石。對(duì)同規(guī)格半自磨機(jī)、不同類(lèi)型礦石屬性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表 2 所列。

表2 礦石性質(zhì)Tab.2 Mineral properties

由表 2 可以看出，與其他 2 種不同種類(lèi)礦石相比，該硫化銅礦石的破碎、研磨難易程度屬于中等水平。

2 原襯板結(jié)構(gòu)

圖2 原筒體襯板結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of original shell liner

圖3 筒體襯板排列方式Fig.3 Layout style of shell liners

原筒體襯板的結(jié)構(gòu)及排列方式如圖 2、3 所示，筒體襯板共 48 排，螺栓孔均位于筒體提升條上，按照高-高形式布置。筒體襯板提升條為對(duì)稱(chēng)型，襯板總高 290 mm，提升條面角為 56°，底板厚度 80 mm，底板兩側(cè)設(shè)置輔助提升條。

該半自磨機(jī)于 2016 年 10 月投入試運(yùn)行，在試運(yùn)行約 2 個(gè)月后，筒體襯板出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象，整體磨損量較小。開(kāi)裂部位位于提升條及底板處，以底板開(kāi)裂為主，開(kāi)裂形式大多為縱向貫穿開(kāi)裂，嚴(yán)重區(qū)域已掉塊，如圖 4 所示。分析損壞的原因主要是磨礦工藝流程處于前期摸索階段，整個(gè)采礦、粉磨系統(tǒng)給礦量不穩(wěn)定，難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)日產(chǎn)量要求；同時(shí)磨球的加入時(shí)機(jī)、頻次及加入量也不固定；加之因其他設(shè)備檢修的影響，磨機(jī)整體運(yùn)行呈現(xiàn)非連續(xù)狀態(tài)。在此工況條件下，磨機(jī)內(nèi)綜合填充率低、物料層薄，運(yùn)行瞬間磨球量大，使得襯板遭受巨大沖擊，斷裂風(fēng)險(xiǎn)加劇。

圖4 筒體襯板開(kāi)裂Fig.4 Cracking of shell liner

隨著碎磨工藝日漸穩(wěn)定，原結(jié)構(gòu)筒體襯板又陸續(xù)使用 2 套。相較于試運(yùn)行期間，這 2 套筒體襯板的斷裂數(shù)量有所降低，但依然存在排料端筒體襯板開(kāi)裂現(xiàn)象。在整個(gè)運(yùn)行周期中，原結(jié)構(gòu)筒體襯板的磨礦效果不理想，每套襯板平均磨礦量為 230 萬(wàn) t，襯板整體耐磨性有待提高。

3 襯板結(jié)構(gòu)改進(jìn)及使用效果

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

首先對(duì)原筒體襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)合磨機(jī)的規(guī)格和轉(zhuǎn)速、鋼球直徑、磨機(jī)綜合填充率及襯板結(jié)構(gòu)等參數(shù)，采用 MillTraj 專(zhuān)業(yè)模擬軟件對(duì)半自磨機(jī)磨球運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖 5 所示。

由圖 5 可以看出，筒體內(nèi)物料分布于第 4 象限30°～38°位置，而鋼球的拋落點(diǎn)卻位于第 4 象限靠近40°位置。顯然，在磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，磨球拋落至物料趾部外，對(duì)物料的破磨作用減弱，反而直接砸向襯板，對(duì)襯板造成了巨大的、頻繁的沖擊，從而降低了磨礦效率，造成襯板過(guò)早損壞。因此，必須對(duì)筒體襯板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以調(diào)整磨球、物料的拋落軌跡，改善鋼球直接對(duì)襯板的沖擊力。

在半自磨機(jī)規(guī)格、磨機(jī)轉(zhuǎn)速及磨球規(guī)格一定的條件下，影響磨機(jī)物料及鋼球運(yùn)動(dòng)軌跡和磨礦效率的因素包括：筒體襯板間隙、提升條高度及提升面角。因此，對(duì)半自磨筒體襯板進(jìn)行改進(jìn)，采取的主要措施如下：

(1)增加襯板間隙，提高磨機(jī)性能 襯板間隙是由襯板排列數(shù)量決定的，影響物料的提升率。合理的提升條間隙可最大限度地增加物料提升率，避免夾料現(xiàn)象，提高磨機(jī)性能[6-7]。部分提升條數(shù)量減少可以增加提升條間料倉(cāng)體積，同時(shí)也可提高磨機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所提升的料漿，提升率增加將大幅提高磨礦效率[8]。筒體襯板原排數(shù)為 48 排，現(xiàn)將襯板排數(shù)由 48排減少至 32 排，同時(shí)將筒體部二段分布改為三段分布。

圖5 原襯板結(jié)構(gòu)磨球拋落軌跡Fig.5 Throwing trajectory of grinding ball in circumstance of original-structured liner

(2)增加提升條的高度 襯板提升條的作用主要是提升物料及磨球，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[9]。提升條高度增加，物料及磨球被提升的高度也隨之增加，從而增強(qiáng)了其拋落時(shí)的破磨能力，利于磨礦效率的提升。筒體襯板原高度 290 mm，在保持底板厚度80 mm 不變的情況下，將高度提升至 380 mm，總高增加 90 mm。

(3)改變筒體襯板面角 筒體襯板面角是指襯板提升條截面夾角，筒體襯板面角也是決定物料及磨球運(yùn)行軌跡的關(guān)鍵因素之一[10-11]。筒體襯板的面角越大，磨球被襯板提升的高度就越低，落點(diǎn)就越靠近中心，襯板被撞擊的概率就會(huì)降低；相反，筒體襯板的面角越小，磨球被襯板提升的高度就越高，落點(diǎn)就越遠(yuǎn)離中心，襯板被撞擊的概率就增大。因此，考慮通過(guò)增大筒體襯板面角來(lái)降低磨球被提升的高度，以減少磨球?qū)σr板的沖擊力。原筒體襯板提升條面角為56°，現(xiàn)將筒體襯板面角增大至 60°。

3.2 使用效果

改進(jìn)后通過(guò)模擬軟件對(duì)磨機(jī)磨球運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，磨球拋落位置位于第 4 象限的 38°左右，而物料的邊緣位置在第 4 象限 38°左右，顯然，磨球的拋落點(diǎn)即為物料趾部，此時(shí)不但不會(huì)撞擊襯板，而且磨礦效率將達(dá)到最高。由此可以推斷，襯板的第一次結(jié)構(gòu)改進(jìn)是比較合理的。

圖7、8 分別為改進(jìn)后筒體襯板結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)安裝情況。筒體襯板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，首套襯板于 2017 年7 月 25 日安裝運(yùn)行，共連續(xù)使用 2 套，每套襯板平均處理礦量達(dá)到 326 萬(wàn) t，比原結(jié)構(gòu)襯板磨礦量提升41.74%，改進(jìn)效果明顯。但同時(shí)該筒體襯板也存在不足之處：一是個(gè)別襯板質(zhì)量較重(達(dá) 2.43 t)，基本達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械手的限制質(zhì)量(2.5 t)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝造成一定的安全隱患，且增加了襯板安裝更換時(shí)間；二是筒體襯板整體質(zhì)量較原結(jié)構(gòu)襯板增加 37.86 t，增重22.6%，磨機(jī)負(fù)載加重，實(shí)際運(yùn)行功率增加，磨礦能耗增加，大幅度提高了運(yùn)行成本。

圖6 襯板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磨球拋落軌跡Fig.6 Throwing trajectory of grinding ball in circumstance of structural optimized liner

圖7 改進(jìn)后筒體襯板結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of optimized shell liner

圖8 改進(jìn)后筒體襯板安裝Fig.8 Installation of optimized shell liners

4 襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及使用效果

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖9、10 分別為改進(jìn)后失效筒體襯板及磨損曲線(xiàn)示意。分析現(xiàn)場(chǎng)失效襯板剩余厚度以及磨損曲線(xiàn)可知，磨損嚴(yán)重部位主要位于出料端筒體襯板及筒體提升條提料側(cè)，而進(jìn)料端筒體襯板以及非提料側(cè)磨損量較少，剩余厚度相對(duì)較多。

在基本保證磨礦效率的前提下，為達(dá)到進(jìn)一步減輕筒體襯板質(zhì)量、降低采購(gòu)和運(yùn)行成本、提高襯板更換效率及提升襯板綜合性?xún)r(jià)比的目的，必須對(duì)筒體襯板進(jìn)行再次結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖9 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后失效襯板Fig.9 Failed liner after structure optimization

圖10 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后失效襯板磨損曲線(xiàn)Fig.10 Wear curve of failed liner after structural optimization

圖11 筒體襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.11 Structural optimization of shell liner

圖12 襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后磨球拋落軌跡Fig.12 Throwing trajectory of grinding ball after structural optimization of liner

本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要對(duì)不同部位進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。如圖 11 所示，在襯板高-高排列形式下，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將進(jìn)料端筒體襯板提升條高度適當(dāng)降低，由 380 mm降低至 350 mm，出料端筒體襯板高度保持 380 mm 不變；在磨機(jī)單向旋轉(zhuǎn)條件下，筒體襯板維持 60°面角不變，通過(guò)適當(dāng)減小非提升側(cè)角度，在減輕襯板質(zhì)量的同時(shí)，提高襯板的有效金屬利用率。

4.2 使用效果

圖12 所示為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后磨球拋落軌跡。結(jié)果顯示，磨球的拋落點(diǎn)位于物料趾部，并沒(méi)有直接空砸襯板，襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行。

圖13 顯示了襯板結(jié)構(gòu)變化與礦石處理量之間的關(guān)系。優(yōu)化后首套筒體襯板于 2018 年 4 月 5 日開(kāi)始裝機(jī)運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行共計(jì) 3 套，相較于第一次結(jié)構(gòu)改進(jìn)，筒體襯板質(zhì)量減少 13 t，降低 6% 左右，但磨礦效率仍維持在較高水平，平均處理礦量達(dá)到 310 萬(wàn) t。由此可以斷定，第二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化是成功的，整體性?xún)r(jià)比較高，獲得了客戶(hù)的認(rèn)可。

圖13 襯板結(jié)構(gòu)變化與磨礦量之間變化關(guān)系Fig.13 Relationship between liner structure and grinding throughput

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)大型半自磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)半自磨機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了持續(xù)不斷的改進(jìn)，通過(guò)分析筒體襯板排數(shù)、提升條高度以及提升條面角等對(duì)磨礦效率有影響的因素，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，獲得了較佳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。襯板結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化后，磨礦效率大幅提升，綜合運(yùn)行成本降低，使用效果良好。面對(duì)半自磨機(jī)大型化發(fā)展趨勢(shì)，半自磨機(jī)筒體襯板還存在較大的優(yōu)化空間，需要借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，緊密結(jié)合選礦工藝，在磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行基礎(chǔ)上有待于繼續(xù)進(jìn)行研究。