半自磨機結構與筒體襯板研究進展及發(fā)展趨勢*

陳天樂，肖慶飛，任英東，謝浩松，張志鵬

(昆明理工大學 國土資源工程學院，省部共建國家復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093)

0 引言

19世紀末，隨著筒體磨機的問世及其在礦山生產中的成功試用，人們就發(fā)現(xiàn)礦石中的一部分大塊顆粒能作為磨礦介質進而實現(xiàn)自磨，從此自磨技術開始在工業(yè)領域得到了應用。選礦廠漸漸發(fā)現(xiàn)處理硬度較大的礦石時，自磨工藝會出現(xiàn)很大的不適應性，磨機處理能力顯著下降。為了解決“難磨粒子”對磨礦效率的影響問題，選礦廠開始在自磨機中添加一定量的鋼球，半自磨的概念應運而生[1-3]。自20世紀70年代半自磨工藝在工業(yè)上應用以來，該技術已經成為選礦廠碎礦磨礦作業(yè)中的常規(guī)工藝，也是當今世界各國新建選廠和技術改造中普遍采用的碎磨工藝[4]。與常規(guī)碎磨工藝相比，半自磨工藝具有以下優(yōu)點：

a.設備數(shù)量少，工藝流程短，人力成本低；

b.破碎比大，單機處理能力遠遠大于傳統(tǒng)工藝；

c.適應性強，可根據(jù)不同礦物特性和選廠條件選擇合適的流程；

d.減少了粉塵污染，處理黏性較大、潮濕的礦物更具有優(yōu)越性[5]。

在國內外研發(fā)制造水平不斷提高和市場對礦業(yè)資源需求急劇增長的雙重驅動力下，選礦碎磨領域對半自磨工藝的依賴度會越來越高，半自磨機將會朝著高效化、大型化、智能化的方向發(fā)展。

1 半自磨機襯板研究進展

1.1 幾何結構

襯板是磨機的組成部件，據(jù)報道，襯板的成本占半自磨總成本的37%。襯板包括筒體襯板、格子板、礦漿提升格、給礦端襯板、排礦端襯板等，本文僅討論磨機筒體襯板。與球磨機相比，半自磨機具有直徑較大、入磨粒度較大、鋼球充填率較低、大塊礦石自身需要充當磨礦介質等特點，因此對半自磨機襯板的設計提出了更高要求。一方面要求其對磨機載荷的提升能力更強；另一方面要求其具有更加良好的沖擊性能，以防止尺寸較大的礦塊頻繁沖擊造成襯板疲勞磨損和斷裂損壞[6]。表1列舉了不同直徑磨機和單個鋼球的沖擊速度和沖擊能量對比。

表1 不同直徑磨機和單個鋼球的沖擊速度和沖擊能量對比[7 ]

不合適的襯板設計會導致其在使用周期內被砸壞，同時還會增加磨礦介質的消耗，這會導致選廠產量降低、材料成本增加。據(jù)資料統(tǒng)計，國內許多選廠磨礦系統(tǒng)半自磨機設備運轉率僅為80%，這對選廠的產能和效益有巨大的影響[8]。筒體襯板的結構是磨機內待磨物料和磨礦介質運動的決定性因素，對磨礦效率具有重要作用。為了延長筒體襯板的使用壽命，以往選廠內半自磨機筒體襯板設計改造的核心思想是單純地增加提升條和底板的厚度，在提高襯板質量的同時減小了磨機的有效容積，忽視了襯板幾何結構與排列方式對磨機性能的關鍵性影響，改造效果往往不佳[9]。

半自磨機筒體襯板的平面幾何結構如圖1所示。

圖1 半自磨機筒體襯板的平面幾何結構

筒體襯板主要由底座和提升條構成，關鍵幾何參數(shù)如下：

a.襯板的形狀，特別是提升條部分的幾何形狀目前主要有L型、T型、波型等。不同形狀的襯板對磨礦介質的提升位置及拋落勢能影響均不同。以L型襯板為例，優(yōu)點是對鋼球的提升位置較高，粗碎效果好；缺點是容易出現(xiàn)空砸現(xiàn)象，襯板損壞較快。四川會東礦業(yè)有限公司某選廠發(fā)現(xiàn)磨機使用的T型襯板磨損不對稱，對此進行了結構改造，將磨損面厚度增大、非磨損面厚度減薄，改造前后襯板總質量不變，使用效果良好[10]。孫珊珊等[11]通過EDEM和ANSYS耦合的方法設計了一種新型結構的波形襯板，在主提升條兩側各增加高度為主提升條1/3的副提升條，發(fā)現(xiàn)新型波形結構襯板的區(qū)域最大磨損量較傳統(tǒng)的波形襯板明顯下降，而且一定程度上增強了襯板的提升能力。

b.提升條高度為底座表面至提升條頂部的垂直距離。肖賢煌[12]通過離散元仿真的方法探究了提升條高度對磨機性能的影響，在等比例縮小的φ480 mm×260 mm的磨機中，當襯板提升條高度為17 mm時，仿真過程中黏結鍵的斷裂速度最快，磨機的磨礦性能最佳。青海某金礦選廠根據(jù)筒體襯板磨損情況對其結構進行了改造，將提升條高度由原來的150 mm提高至170 mm，同時提升條底座厚度減少了10 mm,在襯板自身質量變化不大的情況下，襯板的使用壽命延長了約1 400 h。

c.提升條面角(傾角)是提升條工作面與底座垂直方向的夾角。提升條面角影響磨機載荷的運動軌跡和能量傳輸，其設計應實現(xiàn)提升和沖擊性能最大化。付開進[13]發(fā)現(xiàn)改變提升條面角會改變物料在磨機內的沖擊點，隨著提升條面角的增大，提升作用降低，處于拋落狀態(tài)的物料和磨球數(shù)量減少，對物料的沖擊破碎作用減弱。江西德興銅礦結合現(xiàn)場生產情況和生產廠商建議，將其φ10.34 m×5.19 m半自磨機提升條面角由50°改為60°，成功地將襯板使用壽命提升至4個半月，達到了選廠預期目標[7]。

d.提升條間距由襯板的排列決定，合理提升條間距可以最大限度地提高物料的提升率、減少提升區(qū)死區(qū)面積[14]。若提升條間距過小，會使介質在上升過程中產生相互夾持的現(xiàn)象，導致介質拋得過遠乃至直接沖擊襯板，使得襯板的使用壽命急劇縮短。楊福新[15]認為，在一定的提升條數(shù)量范圍內，隨著提升條數(shù)量的增加，被提升條提起的礦料也會隨之增多，磨礦介質被提升的高度同樣明顯提高，半自磨機沖擊磨碎礦料的效果也越好。

e.整體式襯板的提升條和底座都在同一塊襯板上。襯板提升條磨損程度直接決定了半自磨機筒體襯板的使用壽命，考慮到底座的使用壽命往往高于提升條，基于等壽命更換準則，越來越多的生產商、選礦廠傾向于采用分體式襯板，即將提升條和底座分開設計。紫金礦業(yè)某銅冶煉渣廠半自磨機—球磨機流程(SAB流程)中半自磨機因筒體襯板腐蝕較為嚴重，對襯板結構進行了優(yōu)化，從提升條和底座的整合性入手，用壓條型襯板替代原有的整體式襯板[16]。分體式襯板不僅解決了整體式襯板提升條失效后底座浪費的問題，同時在鑄造、熱處理加工工藝方面也有一定的優(yōu)勢；缺點是較整體式襯板安裝周期長、更換復雜。

1.2 襯板材質

在研究襯板幾何結構的同時，針對磨機襯板材質的研究也取得了長足進步。伴隨著材料工業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)百種鋼和鐵襯板、復合襯板以及橡膠襯板。目前國內磨機襯板材質主要分為耐磨鋼、耐磨鑄鐵兩大類[17]，表2給出了幾種典型襯板材質的性能比較[7,18]。

表2 典型襯板材質的性能比較

在半自磨機問世之時就出現(xiàn)了襯板磨損的問題，由于當時磨機直徑小而未對襯板的磨損引起足夠重視；隨著磨機規(guī)格不斷增大以及自動化程度的提高，襯板磨損的問題日益突出。磨機筒體襯板可以更換，但自身必須具有有效的抗沖擊和耐摩擦磨損的特性，因此礦山和生產廠商非常關注襯板材質以便降低維修更換成本及提高磨機運轉率。

國內半自磨機筒體襯板以合金鋼或鐵質為主，未來主要研究內容包括兩方面：①研發(fā)新合金材料；②對已有合金材料調整金屬含量，采用不同的熱處理方式改變材料的硬度和金相組織，以滿足不同工況的要求。在相同的生產處理工藝條件下，合金鋼的性能取決于合金元素的種類及其含量，下面列舉了主要的合金元素及其對材料性能的影響：

a.碳。碳元素是對合金鋼材料性能影響最大的元素，一般來說，隨著碳質量分數(shù)的增加，合金鋼的強度和硬度也會隨之提升，但是其耐磨性、延展性會隨之下降。崔方明等[19]認為，當合金鋼中碳質量分數(shù)保持在0.30%～0.55%時，其洛氏硬度(HRC)可達到48～51，沖擊韌性可達到50 J/cm2,具有最佳的耐磨性能。

b.硅。硅元素是鐵素體的形成元素，可強化鐵素體，在提高材料的屈強比的同時可以極大地提高合金鋼的淬透性。LUNIKA等[20]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在Cr-Mo系列合金鋼中，當硅質量分數(shù)為1.0%時，合金鋼具有最佳的抗拉強度和沖擊韌性。

c.錳。錳元素強化基體的作用很大，是奧氏體穩(wěn)定化元素，在低含量范圍內可增加回火脆性，在高含量范圍內可粗化組織，產生二次硬化，但是隨著錳元素含量的升高，合金鋼的耐腐蝕性和沖擊韌性會降低 。

d.鉻。鉻元素是合金鋼中使用最廣泛的金屬元素，可提高合金鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，可與碳元素結合形成多種碳化物而進一步提高合金鋼的耐磨性。陳弛文等[21]認為當合金鋼中鉻的質量分數(shù)超過2.5%時，抗拉強度增加不明顯，但沖擊韌性下降明顯，因此在合金鋼的制備中，鉻的質量分數(shù)不宜過高。

e.鉬。鉬在合金鋼中可固溶于鐵素體、奧氏體和碳化物中,它是縮小奧氏體相區(qū)的元素，可降低或消除合金鋼的回火脆性，對改善鋼的延展性、韌性及耐磨性有利。有研究表明，鉬可以使變形強化后的軟化溫度以及再結晶溫度提高，并極大提高鐵素體的蠕變抗力，促使特殊碳化物析出，因此鉬是提高鋼的熱強性的最有效的合金元素。

f.銅。銅元素能夠有效提高合金鋼的耐腐蝕性(包括耐氣蝕性)。曹國良等[22]認為銅元素形成的難溶性鹽對金屬表面空隙和裂紋有修復作用，其不僅可以提高合金鋼的耐全面腐蝕性能，而且還可以提高其耐點蝕性能。

g.鎳。鎳元素能在不降低鋼可塑性的情況下提高鋼的強度，有非常高的耐酸堿腐蝕性能，同時能改善鋼的低溫韌性，降低鋼的臨界冷卻速度，提高其淬透性。黃汝清等[23]認為在Fe-Cr合金鋼中加入鎳可使其金屬表面生成鈍化膜的能力增強，從而進一步提升合金鋼的耐腐蝕性能。

銅陵冬瓜山選廠φ8.53 m×3.96 m半自磨機襯板使用壽命過短，沒有達到設計預期水平；為了解決此問題引進了珠光體Cr-Mo合金鋼襯板，其主要成分有：ω(C)0.7%、ω(Si)0.4%、ω(Mn)0.65%、ω(Cr)1.8%～2.5%、ω(Mo)0.5%～0.8%和ω(Ni)0.5%～0.8%；該材質襯板使用壽命超過了4個月，在現(xiàn)場具有較好的使用效果[24]。 目前國內外合金鋼襯板已經廣泛使用，但是材質質量和穩(wěn)定性方面還有待提高，在鑄造手段、熱處理工藝、合金化配比普適性等方面還有待深入研究[25]。

2 半自磨機結構研究進展

2.1 環(huán)形電機(無齒輪傳動)

進入21世紀后，隨著礦業(yè)市場需求的激增以及重型機械制造業(yè)的快速發(fā)展，為了提高選礦廠處理能力以及降低投資及生產成本，擴大選廠規(guī)模是各大礦業(yè)公司的必然選擇，其中大型穩(wěn)定高效磨礦設備的選擇尤為關鍵。隨著半自磨機的大型化，磨機的驅動電機隨著磨機直徑的增大，其傳動電機功率相應增加；為了有效提高磨礦作業(yè)對礦石性質變化的適應性，對變速電機的需求日漸增加[26]。傳統(tǒng)磨機驅動方式是齒輪傳動，電機通過固定在筒體兩旁的大齒輪帶動小齒輪向磨機提供傳輸動力，由于齒輪機械性能的限制，單個電機對齒輪的最大傳動功率一般不超過8 000 kW；若采用雙電機驅動，功率最大可達16 000 kW。我國西藏甲瑪銅礦φ10.37 m×5.19 m半自磨機和烏山銅礦φ11.0 m×5.4 m半自磨機均采用雙電機傳動，但存在兩臺電機功率平衡的問題。智利埃斯康迪達銅礦選廠φ10.97 m×5.18 m半自磨機齒輪直徑達13.2 m，配備了兩臺功率為6 714 kW的同步電機，在運轉過程中受機械傳動效率的影響一直不能滿負荷運行，而且增加了磨機的日常維修量，未達到預期的效果[27]。國內外部分選廠齒輪傳動半自磨機數(shù)據(jù)見表3。

表3 國內外部分選廠齒輪傳動半自磨機數(shù)據(jù)[28-29 ]

受齒輪傳動方式的限制，大功率半自磨機的發(fā)展在很長一段時間內停滯不前。20世紀80年代無齒輪傳動(環(huán)形電機)在磨機驅動上的使用打破了這一限制，為磨機的進一步大型化創(chuàng)造了條件。無齒輪傳動有3種不同的傳動方式，分別是環(huán)式、懸臂式和直連式。驅動磨機筒體運轉的多為環(huán)式傳動方式，該電機占地面積小且易于運輸和安裝。原理是將環(huán)形電機的轉子固定在磨機筒體周圍，整個磨機就像一個電機，磨機筒體像電機的轉子，而環(huán)形電機則像普通電機的定子，具有天然的變速功能[30]。無齒輪傳動雖然初期投資較高，但是與常規(guī)的齒輪傳動相比具有以下優(yōu)點：傳動功率大、具有較高的傳動效率、傳動鏈短減少了能量損失、方便磨機調速以實現(xiàn)變速驅動、占地面積小且運轉率高、維護量較小。

世界上第1臺礦用無齒輪驅動的半自磨機出現(xiàn)在1987年，型號為φ9.8 m×5.2 m，安裝在智利丘基卡馬塔銅礦選礦廠[31]。迄今為止，世界上傳動功率最大的環(huán)型電機安裝在澳大利亞中信泰富Sino鐵礦的自磨機上，其額定功率高達28 000 kW[32]。無齒輪傳動發(fā)展至今已有30多年的歷史，全球主要的生產廠商有美卓、富樂、奧托昆普等公司。迄今為止，全世界已經有60多臺大型半自磨機使用了環(huán)形電機，環(huán)型電機在磨機上的使用使得半自磨機大型化成為可能；同樣對于額定功率超過16 000 kW甚至更大的傳動裝置，環(huán)型電機傳動是目前唯一的選擇[33]。

2.2 新型筒體支撐結構

磨機的大型化對磨機主軸承的承重性能提出了更高的要求。據(jù)資料統(tǒng)計，江西德興銅礦大山選礦廠φ10.37 m×5.19 m半自磨機空載情況下僅自身質量就達1 431 t，滿載運行質量更是超過了2 000 t[34]。傳統(tǒng)的磨機承重采用的是耳軸支撐，磨機筒體軸承通過端蓋與雙側耳軸相連，結合處為鑄鐵鑄鋼件。在這種支撐結構下，筒體整個質量將通過軸承直接傳遞給耳軸和端蓋，磨機軸承和筒體法蘭連接處發(fā)生故障甚至斷裂的情況時有發(fā)生，這對鑄件的質量有著極高的要求。與傳統(tǒng)的耳軸支撐方式不同，新型的磨機筒體支撐是將滑動軸承安裝在筒體的座環(huán)上，這樣整個筒體的負荷不需要通過端蓋轉移到耳軸上，而是由滑動軸承直接承重[27]。與耳軸支撐承重相比，筒體支撐承重有以下優(yōu)點：①成本降低。不需要再制造錐形端蓋和耳軸等復雜且質量要求極高的重型鑄件，改善了受力狀態(tài)的同時減少了磨機發(fā)生結構故障的風險。②磨機質量降低。磨機筒體支撐結構采用的是平面端蓋，端蓋受到的力較小，這樣可以采用較輕的鋼結構構件來減輕磨機整體質量。③易于檢修。采用筒體支撐結構的磨機占地面積較小，可以在不排放筒體內物料的情況下進行檢修，大大縮短了檢修時間，減小了工作難度。④易于在線檢測。在滑動軸承內可以設置壓力、磨音、位移傳感器，可以隨時檢測磨機的負荷，以及擺動、偏心等工作狀態(tài)。我國金川礦業(yè)公司選礦二車間φ8.53 m×3.96 m半自磨機采用的就是靜壓滑動軸承，檢測系統(tǒng)內有溫度、油壓、油差等檢測元件，可以實現(xiàn)對筒體支撐系統(tǒng)關鍵部位的檢測與報警[35]。

筒體支撐軸承能夠輕松適應不同結構長徑比的磨機，伴隨著現(xiàn)代選礦工藝的發(fā)展和磨機不斷向大型化發(fā)展的趨勢，筒體支撐軸承在今后會逐漸替代耳軸支撐軸承，成為大型選礦廠的主要選擇。

3 展望

1)節(jié)能降耗是半自磨機的發(fā)展方向

隨著計算機和設計開發(fā)軟件的普及，筒體襯板的設計和在不同工況下的模擬都已經成為了現(xiàn)實[18]。在滿足實際生產需要的前提下，采用新型結構襯板可以提高磨機的磨礦效率；同時研發(fā)生產高性能、低成本的新型耐磨材料可以制造出集高強度、高韌性、高性價比于一體的新型襯板。

2)大型化是半自磨機發(fā)展的必然趨勢

研發(fā)和工藝制造水平的提高推動磨礦設備朝著大型化的方向發(fā)展，在此背景下，一方面新型傳動機構和軸承支撐體系豐富了磨機的結構配置，另一方面與半自磨機配套的關鍵鑄件也需要隨之大型化，這將是制約超大型、特大型設備穩(wěn)定運行的關鍵所在。

3)半自磨機自動控制技術朝著集成化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展

自動化技術與半自磨工藝的有機結合不僅要求其準確及時地調節(jié)生產設備，以滿足穩(wěn)定生產的需要，還要求在宏觀上對整個生產系統(tǒng)進行優(yōu)化、診斷、調控、決策等，控制系統(tǒng)必須要完成多個目標、多個層次的控制任務，而不是簡單地局限在數(shù)字計算上。只有這樣，才能最大限度地發(fā)揮自動控制技術的優(yōu)勢，才能更好地服務于選廠的日常生產。