磁性襯板在大紅山銅礦三段球磨機(jī)的應(yīng)用

孫云才，易海超

(1.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653405；2.中國銅業(yè)有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

大紅山銅礦位于云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)，是以含銅、鐵為主要金屬的大型礦床。銅礦物以黃銅礦為主，其次是斑銅礦，同時伴有微量的銅藍(lán)和孔雀石；鐵礦物以磁鐵礦為主，其次是黃鐵礦、赤鐵礦和微量褐鐵礦[1-2]。銅鐵礦石選礦流程為“先浮選銅后磁選鐵”的工藝流程，礦石中的銅礦物比較好選，浮選磨礦細(xì)度-200目占70%，選別流程簡單，使用藥劑種類少、用量低。為提高鐵精礦質(zhì)量，在磁選粗精礦流程后再增加三段球磨系統(tǒng)。隨著礦山發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，特別是2006年實施“萬噸技改”項目后，隨著產(chǎn)量的增加、供礦性質(zhì)的改變，選礦生產(chǎn)工藝流程發(fā)生了很大的變化，之前的選礦條件已無法滿足技改之后的萬噸處理能力，而選礦選礦流程中球磨機(jī)襯板作為球磨系統(tǒng)的關(guān)鍵磨耗件，其質(zhì)量、性質(zhì)、壽命直接影響到原礦處理量、選礦指標(biāo)和設(shè)備效率。

1 現(xiàn)狀

大紅山銅礦一選廠磨選車間現(xiàn)有球磨機(jī)設(shè)備10臺套，三段球磨機(jī)4臺套。磁性襯板改造前球磨機(jī)采用的都是市面上技術(shù)成熟的高錳鋼耐磨襯板，該襯板含錳10%～15%，碳含量較高，一般為0.90%～1.50%，大部分大于1.0%。錳鋼襯板通過螺絲連接方式安裝在球磨機(jī)上，球磨機(jī)運轉(zhuǎn)時，襯板在鋼球、礦石較大沖擊載荷和壓力下表面發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生強(qiáng)烈的硬化，表面硬度可提高硬度為HRC45～55，沖擊韌性值≥25 J，此時有較高的耐磨性、耐沖擊性，實質(zhì)上這種錳鋼襯板并不耐磨，在三段球磨系統(tǒng)上平均壽命只有13～14個月，每年必須停機(jī)約90 h進(jìn)行更換錳鋼襯板，存在更換襯板時候安全風(fēng)險較高，更換前后幾個月對選礦指標(biāo)影響較大，全年設(shè)備開機(jī)率不足等諸多問題。自2007年以來，磁性襯板在一系列三段MQY245球磨機(jī)、二系列三段MQY2145球磨機(jī)、三系列三段MQY2736球磨機(jī)和MQY2130鐵循環(huán)球磨機(jī)上的成功應(yīng)用，彌補了錳鋼襯板存在的不足，提高了設(shè)備運轉(zhuǎn)效率，超出了預(yù)期目標(biāo)，整體綜合效益顯著。

2 磁性襯板的工作原理

了解磁性襯板的工作原理，才能選擇合適礦山實際的磁性襯板。葛俊波等[3]提出球磨機(jī)磨礦過程是利用磨礦介質(zhì)與物料之間的沖擊和研磨、介質(zhì)與襯板的沖擊與研磨過程中使被磨物料達(dá)到?jīng)_擊粉碎和研磨解離的過程。因此，鋼球和襯板的磨損是不可避免的。磁性襯板依靠自身磁性力緊緊吸附在磨機(jī)筒體上，初期工作時襯板表面由鐵礦粉、碎鋼球和小鋼球等物料在磨機(jī)運轉(zhuǎn)下，由于離心作用吸附在磁性襯板的表面，并在磁性襯板的磁場作用下，按磁路形成正弦波峰，并形成自襯層。由于球磨機(jī)長期運轉(zhuǎn)，自襯層上的鐵屑、碎鋼球逐漸被磁性襯板磁化，形成附帶磁性金屬墊層，由于墊層被磁化，在墊層的上面有磁性礦石物料和碎小鋼球組成的滾動層。在球磨機(jī)日常運行中，磁性金屬墊層不斷磨損，滾動層又不斷被磁化生成補充磁性金屬墊層，使得磁性金屬墊層厚度一直處于動態(tài)平均厚度且循環(huán)交替地保護(hù)磁性襯板本體。除此之外，磁性襯板獨特的磁路特性，使球磨機(jī)筒體及兩端襯板按照磁場線分布規(guī)律形成了自然波峰，保證了球磨機(jī)襯板提升鋼球的工作能力，且在襯板表面形成了約30 mm厚的磁性金屬墊層，減輕了物料、鋼球?qū)Υ判砸r板本體的沖擊磨損，延長了磁性襯板使用周期。圖1為磁性襯板的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖，圖2為磁場模擬分布圖。

圖1 磁性襯板的結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

圖2 磁場模擬分布圖

3 磁性襯板的選用原則

磁性襯板是否適合一臺設(shè)備、一個系統(tǒng)、一種工藝，主要看三個條件：一是磁性襯板設(shè)計要合理，磁性材料選擇合適，襯板安裝完成后能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的磁場；二是磨礦介質(zhì)中含有形成保護(hù)層需要的鐵磁性碎鋼鐵介質(zhì)和物料；三是襯板具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可以承受磨機(jī)工作時產(chǎn)生的沖擊力和剪切力。根據(jù)大紅山銅礦的礦山性質(zhì)和工礦條件，為達(dá)到以上三個條件，大紅山銅礦選用金屬磁性襯板。

韓麗鎖等[4]研究指出金屬磁性襯板經(jīng)常選用硬質(zhì)條形永久磁鐵作為磁性單元，磁性襯板按照設(shè)計圖紙裝配到球磨機(jī)筒體上后，可以形成封閉的磁路，磁通、磁路和磁阻各項分布得到改善，球磨機(jī)金屬磁性襯板表面的磁場整體強(qiáng)度得到增強(qiáng)。吳建明[5]研究了磁場力與磁場強(qiáng)度的有關(guān)因素，下面通過對磁場強(qiáng)度的要求進(jìn)行簡單的分析。

磁性襯板表面的磁場強(qiáng)度由吸附保護(hù)層所需要的磁場力所決定，所以按照保護(hù)層的質(zhì)量、厚度、負(fù)荷性質(zhì)，可確定所需要的磁場力和磁場強(qiáng)度。吸附保護(hù)層所需磁力fc為

fc=αμ0x0H0gradH0，N/kg，

(1)

式中：α為磁性襯板表面吸附強(qiáng)磁性保護(hù)層導(dǎo)致磁場強(qiáng)度和磁場非均勻性提高的大于1的修正系數(shù)；μ0為真空磁導(dǎo)率；x0為保護(hù)層中顆粒的物體比磁化率，m3/kg；H0為磁極面上的磁場強(qiáng)度，A/m；gradH0為磁場梯度，A/m2；H0gradH0為磁場力，A2/m3。其中，x0=k0/δ，k0為顆粒的物體體積磁化率；δ為顆粒密度，kg/m3。吸附保護(hù)層所需的磁力Fc為

Fc=αμ0k0VH0gradH0，N，

(2)

式中：V為保護(hù)層體積，m3。

由以上公式可知，磁性襯板在球磨機(jī)內(nèi)部形成的一定的磁場強(qiáng)度，吸附金屬保護(hù)層除了需要足夠的磁場強(qiáng)度之外，還需要一定的磁場影響范圍(包括深度、寬度)。根據(jù)吳建明[5]的研究成果，表面磁場的作用深度又與磁性襯板磁極的極距、極隙以及磁系寬度等參數(shù)有關(guān)。永磁磁系沿磁極對稱面上距磁極表面不同距離y(m) 處的磁場強(qiáng)度Hx可以用公式(3)表示：

Hx=H0e-cy，A/m，

(3)

式中：c為磁場非均勻系數(shù)，m-1，由式(4)確定：

(4)

式中：l為磁極距，m；R為磁極表面半徑，m。距磁極表面不同距離y(m) 處的磁場力Fy為

(5)

式中：gradH為磁場梯度，A/m2。

由上述公式可以得出，磁極距的變化影響磁場非均勻系數(shù)的變化，進(jìn)一步又對磁場強(qiáng)度和磁場影響范圍都有影響。在磁極表面中心處場強(qiáng)相同的情況下，大極距磁系靠近磁極表面處的場強(qiáng)較高，而遠(yuǎn)離磁極表面后場強(qiáng)衰減較慢，即磁場影響范圍較小，小極距磁系則反之。圖3是通過實測的永磁鐵厚度與其表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，圖4是通過實測不同極距時磁場強(qiáng)度沿極面中心垂直方向的變化曲線。

圖3 永磁鐵厚度與其表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖4 不同極距時磁場強(qiáng)度沿極面中心垂直方向的變化曲線

從圖3、圖4可以看出磁極表面磁場強(qiáng)度與磁極的距離尺寸、磁鐵的厚度有直接關(guān)系。本次大紅山銅礦選用材料為鍶鐵氧體和高磁能的釹鐵硼復(fù)合永磁材料，磁性襯板厚度為60 mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為120 mT的金屬磁性襯板，通過9年的應(yīng)用，結(jié)合日常停機(jī)檢查，金屬磁性襯板的設(shè)計應(yīng)用及整體磁場特性滿足磨選工藝指標(biāo)各項要求。

4 磁性襯板在生產(chǎn)中的應(yīng)用

一選廠磨選車間最早在2007年底三系列三段MQY2736溢流型球磨機(jī)上安裝了磁性襯板，到2017為止使用時間近9年，通過日常停機(jī)檢修時，技術(shù)人員定期進(jìn)入球磨機(jī)內(nèi)檢查磁性襯板，發(fā)現(xiàn)襯板整體厚度磨損較小，工作狀態(tài)良好。

磁性襯板在球磨機(jī)內(nèi)的安裝比較嚴(yán)格，首先將球磨機(jī)筒體和端蓋的原螺栓孔完全封閉，礦漿不漏為合格，然后用清水筒體及端蓋內(nèi)沖洗干凈，筒體或端蓋若不平整的區(qū)域，需處理平整后再鑲嵌磁性襯板，安裝時候襯板的金屬殼面向筒內(nèi)，外弧面緊貼在球磨機(jī)內(nèi)壁上，襯板之間不允許有間隙。磁性襯板安裝完后，初期運轉(zhuǎn)為了避免磁性襯板保護(hù)層形成太慢，設(shè)備啟動前可先加裝直徑小于20 mm的小鋼球約6 t和鐵精礦粉約5 t至球磨機(jī)內(nèi)，在襯板表面形成初始保護(hù)層。球磨機(jī)初裝球規(guī)格為鑄鍛35×40 mm，40×45 mm，比例為1∶1，重量按27 t進(jìn)行加球。球磨機(jī)實際運行約7日后，在磁性襯板表面逐步形成厚度約30 mm金屬磁性保護(hù)層，金屬保護(hù)層由于受磁場力作用，穩(wěn)固地吸附在磁性襯板表面上方，阻隔了磨礦介質(zhì)與磁性襯板的直接碰撞與研磨，極大地降低了磁性襯板的直接磨損，實現(xiàn)的延長襯板運行壽命的目的。除此之外，使用磁性襯板的球磨機(jī)運轉(zhuǎn)過程中，沒有出現(xiàn)襯板脫落、陷落的現(xiàn)象以及設(shè)備漏礦、漏漿問題，有效提升設(shè)備完好率超過99%。磁性襯板的實際使用結(jié)果總體與程景峰[6]、王勇[7]、李志剛等[8]、姜冬林等[9]的研究結(jié)論一致。圖5為大紅山銅礦三系列三段MQY2736溢流型球磨機(jī)現(xiàn)場圖，圖6為筒體磁性襯板的磁塊安裝方式，圖7為現(xiàn)場工人磁性襯板安裝。

圖5 大紅山銅礦三系列三段MQY2736溢流型球磨機(jī)

圖6 筒體磁性襯板的磁塊安裝方式

圖7 磁性襯板現(xiàn)場安裝

5 磁性襯板的性能特點

5.1 磨損情況和壽命分析

磁性襯板與錳鋼襯板相比，具有重量輕，安裝便捷、使用壽命長等優(yōu)點。由于磁性襯板不需要螺栓固定，一套襯板一天即可安裝完成；由于襯板重量輕，減輕工人勞動強(qiáng)度，減少更換維修襯板時間。磁性襯板唯一缺點是一次性投資成本較高，當(dāng)期投資回報率較低。

磁性襯板使用過程中，每年利用停機(jī)檢修曾多次進(jìn)入球磨機(jī)內(nèi)檢查，現(xiàn)場觀察來看襯板幾乎無磨損，使用效果較好。磁性襯板的堅硬金屬吸附層非常均勻和牢固，按正弦磁場線均勻排列，波形自然美觀[10]。圖8為安裝使用磁性襯板的MQY2700×3600球磨機(jī)進(jìn)料端吸附層現(xiàn)狀。圖9為安裝磁性襯板的MQY2700×3600球磨機(jī)筒體吸附層現(xiàn)狀。

圖8 安裝磁性襯板的MQY2700×3600 球磨機(jī)進(jìn)料端吸附層現(xiàn)狀

圖9 安裝磁性襯板的MQY2700×3600 球磨機(jī)筒體吸附層現(xiàn)狀

2007年至2017年每次年終檢修對該球磨機(jī)磁性襯板磨損情況進(jìn)行測量。具體測量方法是在筒體、前端蓋和后端蓋3個位置上各選取3個測量點，使用小鏟將磁性襯板表面的吸附層沿球磨機(jī)軸線方向刮開一手掌大的區(qū)域，分別測量筒體襯板和端蓋襯板的磨損量和厚度。通過10年的測量數(shù)據(jù)分析可估算出，該套磨機(jī)使用的磁性襯板的整體壽命將超過10年，遠(yuǎn)大于廠家設(shè)計使用壽命。由表1可直接得出，磁性襯板與錳鋼襯板相比，從長期成本和壽命上有較大優(yōu)勢。

表1 MQY2736球磨機(jī)使用錳鋼襯板與磁性襯板前后的參數(shù)對比

5.2 磁性襯板對磨機(jī)運轉(zhuǎn)率的影響

查看大紅山銅礦一選廠2005年至2015年近10年的襯板更換記錄，使用高錳鋼襯板的球磨機(jī)，每年需要更換錳鋼襯板1套，襯板更換時間為72 h。而磁性襯板更換除了第一年拆除更換安裝需要60 h外，在整個使用周期里幾乎不需要進(jìn)行維護(hù)。按照10年壽命計算，已安裝使用磁性襯板的球磨機(jī)每年可至少節(jié)約62 h的襯板更換維護(hù)時間，實現(xiàn)球磨機(jī)運轉(zhuǎn)率達(dá)99%以上。

5.3 磁性襯板對選礦指標(biāo)的影響

大紅山銅礦一選廠更換磁性襯板后，采集相關(guān)選礦指標(biāo)，得出表2。

表2 MQY2700×3600球磨機(jī)分別使用磁性襯板與錳鋼襯板選礦指標(biāo)參數(shù)對比

由表2可知，三段磨使用磁性襯板后，處理量提升了約30%，磨礦效率、給礦細(xì)度指標(biāo)變化不明顯，鐵精礦排礦細(xì)度下降2%～4%，通過測量磨機(jī)鋼球充填率參數(shù)，發(fā)現(xiàn)安裝磁性襯板的球磨機(jī)，由于磁性襯板吸附了一層30 mm厚的金屬保護(hù)層，磨機(jī)筒體內(nèi)部直接減少，導(dǎo)致筒體整體有效容積減少0.61 m3，影響排礦細(xì)度指標(biāo)。雖然有上述影響因素，但是最終精礦品位基本無變化，不影響最終產(chǎn)品指標(biāo)，磨礦綜合效能不變。

5.4 使用磁性襯板的其他優(yōu)點

1)磁性襯板靠比自身重量大5～6倍的磁吸引力在緊密吸附在磨機(jī)筒體上，消除了襯板與球磨機(jī)筒體相對運動的磨損問題，密閉了的磨機(jī)筒體原來的螺栓孔，消除了礦漿從螺栓孔泄露的隱患，間接減輕了礦漿對筒體的腐蝕，延長了磨機(jī)筒體的使用壽命。大紅山銅礦1999年投產(chǎn)以來，裝配高錳鋼襯板的筒體使用壽命一般為7年；2007年裝配應(yīng)用磁性襯板以來，筒體使用時間超過了10年，保守估計至少可延長壽命2倍以上。

2)磁性襯板單塊體積較小，重量較輕，每塊約10 kg，且安裝時候不需要螺栓進(jìn)行固定，工人裝配方便，減輕了工人檢修作業(yè)體力強(qiáng)度，有效避免了因襯板安裝時重量太重而引發(fā)人身安全事故。

3)安裝高錳鋼襯板的球磨機(jī)，若發(fā)生端蓋螺栓斷裂或脫落問題，礦漿、礦砂就會隨著螺栓孔泄露至大齒輪面上，容易導(dǎo)致大小齒輪潤滑不良，加速大小齒輪磨損，降低大小齒輪的使用壽命。2007年裝配應(yīng)用磁性襯板以來，由于螺栓孔被全部密閉，消除了礦漿泄露隱患，使大小齒輪組的壽命整體延長，經(jīng)檢修記錄統(tǒng)計，小齒輪壽命延長1.5倍，大齒輪壽命延長2倍。

4)磁性襯板表面吸附碎球及磁性礦物組成的堅硬，避免磨礦介質(zhì)鑄鍛球和球磨機(jī)筒體襯板之間直接撞擊而產(chǎn)生碎半球，而且金屬保護(hù)層還起磨礦介質(zhì)作用，從而達(dá)到減少磨礦鑄鍛球的消耗。經(jīng)實際測量，鑄鍛球單耗減少0.04 kg/t原礦，鋼球單耗有效降低了10%～12%。

5)磁性襯板厚度薄，約為高錳鋼襯板的40%；重量輕，約為高錳鋼襯板的60%。磁性襯板有利于減少球磨機(jī)整體重量，使得電動機(jī)的實際軸功率減少，實際測量與其他同系統(tǒng)設(shè)備運行電流相比，約下降了10 A，電單耗下降了5%～7%，節(jié)能效果明顯。

6 結(jié)論

大紅山銅礦2007年使用第一套磁性襯板以來，經(jīng)過10年的生產(chǎn)實踐，驗證了磁性襯板在磁鐵礦應(yīng)用的可行性，使用磁性襯板對提高磨機(jī)作業(yè)率、降低鋼球單耗、降低周邊環(huán)境噪音、節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面效果顯著。除此之外，減少了襯板檢修作業(yè)頻次，降低了工人勞動強(qiáng)度，安全效益更加明顯。大紅山銅礦目前使用的三段球磨機(jī)已經(jīng)全部更換使用磁性襯板，并且從2015年開始，逐步將嘗試在二段球磨機(jī)上進(jìn)行試用，探索磁性襯板在磁鐵礦各選礦工藝流程的應(yīng)用。