磨機(jī)襯板材質(zhì)的研究進(jìn)展

崔朝澤，王 巖

紫金礦業(yè)集團(tuán)黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司 黑龍江黑河 164300

目前磨機(jī)種類、樣式繁多，數(shù)量大，如何降低磨機(jī)的磨損以及提高磨礦效率成為了熱點(diǎn)話題。襯板的結(jié)構(gòu)和材料、磨機(jī)填充率、鋼球直徑和級(jí)配等因素，都對(duì)磨機(jī)的磨損率有著很大的影響。陳佳俠等人[1]對(duì)于半自磨機(jī)沖擊磨損機(jī)理開展了一系列研究，研究表明：提高襯板用鋼熔煉質(zhì)量，減少襯板夾雜物，在保證襯板高硬韌性前提下，進(jìn)一步提高其韌性，是提高半自磨機(jī)襯板使用壽命的必要條件和主要路徑。韓春陽等人[2]對(duì)某鐵礦選廠的半自磨機(jī)筒體襯板進(jìn)行磨損分析，利用等壽命法改造襯板結(jié)構(gòu)，使用離散元分析和襯板模擬軟件對(duì)研磨介質(zhì)和礦石的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后襯板平均使用壽命大幅度提高，從 54.2 d 延長至 68.33 d。莊巧玲[3]通過研究襯板的冶煉、鑄造以及熱處理工藝，使得襯板更加實(shí)用耐磨。

各類磨機(jī)的研磨機(jī)理相近卻又不相同，這就導(dǎo)致磨機(jī)襯板的選擇有較大區(qū)別。例如：大型半磨機(jī)襯板尺寸大，研磨介質(zhì)大，沖擊力大，這就需要磨機(jī)襯板具有很好的抗沖擊性能；而以細(xì)磨為主的磨機(jī)襯板則更注重耐磨性。因此，在選擇襯板時(shí)需要注意，在一定的沖擊載荷作用下，襯板要始終保持較好的耐磨性。

1 襯板對(duì)磨礦的影響

1.1 襯板結(jié)構(gòu)對(duì)磨礦的影響

磨機(jī)襯板分為條形襯板和單塊襯板兩種：條形襯板是楔狀的壓條固定在筒體內(nèi)部，所需螺栓少，抗壓強(qiáng)度大，不可單獨(dú)拆卸；單塊襯板是用螺栓固定在筒體內(nèi)部，可以單獨(dú)拆卸，抗壓強(qiáng)度小，使用時(shí)需要注意螺栓處密封，防止出現(xiàn)漏液的情況。磨機(jī)襯板根據(jù)提升條形狀又可分為 L 形襯板、T 形襯板以及波形襯板 3 種。不同形狀的襯板，研磨介質(zhì)和礦石被提升的高度和分散程度均不同，因此磨礦效果也大不相同。例如 L 形襯板，研磨介質(zhì)和礦石可以被提升到很高的位置，因此撞擊力足，粗碎時(shí)效果最好，但巨大的沖擊力會(huì)使襯板的壽命大幅度降低，并且很容易出現(xiàn)砸空的情況。四川某選礦廠最初使用 T 形襯板，在使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)襯板出現(xiàn)不對(duì)稱磨損，因此改進(jìn)了 T形襯板結(jié)構(gòu)，將易磨損的位置加厚，不易磨損的地方減薄，這樣既保證了襯板在處理礦石前后質(zhì)量沒有變化，又延長了襯板壽命。

近些年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)襯板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，例如孫珊珊等人[4]通過離散元分析和 ANSYS 耦合方法設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的波形襯板，在主提升條兩側(cè)增加副提升條，副提升條高度為主提升條的 1/3，優(yōu)化了襯板性能。使用后發(fā)現(xiàn)，新型結(jié)構(gòu)襯板磨損最嚴(yán)重的地方較傳統(tǒng)的波形襯板降低很多，并且對(duì)于礦石和研磨介質(zhì)的提升作用也有顯著提高。劉建平[5]采用離散單元法對(duì)半自磨機(jī)出料端襯板進(jìn)行升級(jí)改造，將原徑向放射狀襯板改造為弧形襯板，使得排料能力大幅度提高，并且延長了襯板壽命。上述襯板改造均實(shí)現(xiàn)了在降低襯板磨損的同時(shí)，大幅度提高了磨機(jī)生產(chǎn)效率，成為未來襯板結(jié)構(gòu)研究的主要方向。

1.2 襯板磨損對(duì)磨礦的影響

球磨機(jī)在工作時(shí)筒體圍繞中心軸線旋轉(zhuǎn)，筒體內(nèi)的礦石和研磨介質(zhì)受到巨大的摩擦力和離心力作用，當(dāng)?shù)竭_(dá)高處后受到重力作用瀉落，從而產(chǎn)生破碎沖擊作用，達(dá)到粉碎礦石的目的。磨機(jī)內(nèi)部有鋼球等研磨介質(zhì)、待磨礦石和礦漿，工作環(huán)境極其惡劣，工作時(shí)礦石以及研磨介質(zhì)除了直接受到?jīng)_擊作用以外，由于鋼球的滑動(dòng)和滾動(dòng)，還同時(shí)受到擠壓和研磨作用。球磨機(jī)相對(duì)于半自磨機(jī)而言，襯板對(duì)物料的提升作用較弱，鋼球數(shù)量較多，礦石在球磨機(jī)中更多的是被研磨，而襯板的磨損也主要是礦石和鋼球在研磨時(shí)的碰撞導(dǎo)致。

潘慶等人[6]使用離散元法模擬襯板的磨損過程，精確找到襯板的磨損位置以及磨損程度，為襯板的改造和提升條分布設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)提高襯板使用壽命的目的。謝卓宏等人[7]提高了提升條的高度，將提升條設(shè)計(jì)為非對(duì)稱錐面，將襯板平板部分厚度降低 1/7，使得半自磨機(jī)碎磨效率得到大幅度提升，同時(shí)又降低了襯板磨損。

1.3 磨礦工藝條件對(duì)磨礦的影響

磨機(jī)襯板一方面可以避免礦石和研磨介質(zhì)直接沖擊筒壁，另一方面可以通過改變襯板表面光滑度來控制礦石的研磨粒度。如用于細(xì)磨，則使襯板表面坑洼不平，以增大磨機(jī)內(nèi)部的摩擦力，從而使物料和介質(zhì)有更強(qiáng)大的沖擊力；相反，如果用于粗磨，則需將襯板表面做得平滑，以減小磨機(jī)內(nèi)部的摩擦力，達(dá)到粗磨的目的。襯板的類型有很多種，選擇一套適合的襯板可以大幅度減少礦石對(duì)磨機(jī)筒壁的不必要撞擊，從而延長磨機(jī)壽命，提高磨礦效率，可以說襯板對(duì)磨機(jī)的工作效率起著關(guān)鍵作用。

2 襯板材質(zhì)的分類及發(fā)展

襯板材質(zhì)大體上分為金屬襯板、橡膠襯板和磁性襯板三大類。

2.1 金屬襯板

在大型磨機(jī)大規(guī)模投入生產(chǎn)的初期，高錳鋼是應(yīng)用最為廣泛的襯板材料。隨著科技的不斷進(jìn)步，技術(shù)水平的創(chuàng)新，金屬襯板得到發(fā)展，在材料選取方面也逐漸向多樣化發(fā)展。其材料種類主要包括高錳鋼、高合金白口鑄鐵以及高碳鉻鉬鋼等等，這些材料的機(jī)體組織包括奧氏體、馬氏體和貝氏體等。

2.1.1 高錳鋼

高錳鋼的主要優(yōu)點(diǎn)是抗磨損，抗強(qiáng)沖擊，芯部韌性好；主要缺點(diǎn)是屈服強(qiáng)度低、易斷裂，擴(kuò)散沖擊導(dǎo)致襯板發(fā)生塑性流變，且導(dǎo)熱性差，易析出碳。我國主要通過改變微觀晶體結(jié)構(gòu)，加入碳化物等方式實(shí)現(xiàn)高錳鋼改性。

高錳鋼在耐磨性和加工硬化方面有著出色的表現(xiàn)，是應(yīng)用比較廣泛的耐磨材料。大型球磨機(jī)應(yīng)用高錳鋼材料襯板能夠有效延長其使用壽命。某選礦廠在φ3.2 m 球磨機(jī)中使用高錳鋼襯板，襯板的壽命達(dá)到半年，在φ5.5 m 球磨機(jī)中使用高錳鋼襯板，襯板的壽命更是達(dá)到了一年。這主要是因?yàn)榇笮颓蚰C(jī)中鋼球與礦石的沖擊力較大且轉(zhuǎn)速較慢，使得高錳鋼發(fā)揮出其顯著的加工硬化效果。但高錳鋼自身也存在著極大的弊端，因其屈服強(qiáng)度低，當(dāng)受到巨大的沖擊力時(shí)，會(huì)回彈失效，導(dǎo)致其發(fā)生形變。某選廠曾經(jīng)在φ10.37 m ×5.19 m 半自磨機(jī)中嘗試使用超高錳鋼襯板，工作一個(gè)月后，高錳鋼襯板發(fā)生嚴(yán)重變形，造成了一定的損失。因此，高錳鋼不宜作為半自磨機(jī)的筒體襯板材料，而適用于大型球磨機(jī)筒體襯板。對(duì)于半自磨機(jī)，梁治安采用壓條型鉻鉬鋼作為筒體襯板，其壽命比錳鋼材質(zhì)襯板提高了 106.67%[8]。

2.1.2 合金白口鑄鐵

白口鑄鐵分為普通白口鑄鐵、低合金白口鑄鐵、中合金白口鑄鐵和高合金白口鑄鐵 4 種。目前應(yīng)用最多的是含鉻量為 12%～20% 的高鉻白口鑄鐵，因其組織中形成孤立桿狀 (Cr，F(xiàn)e)7C3型碳化物，使其硬度更高，沖擊韌性更強(qiáng)，因此受到材料研究者的青睞，也成為球磨機(jī)的筒體襯板材料。高鉻白口鑄鐵沖擊韌度通常為 5～7 J/cm2，相對(duì)其他材料偏低，因此高鉻白口鑄鐵更適合于φ2.5 m 以下、對(duì)沖擊強(qiáng)度要求比較低的小型球磨機(jī)筒體襯板。

2.1.3 合金鋼

合金鋼的主要合金元素包括硅、鎳、錳、鉻、鉬、鎢等，綜合力學(xué)性能好，穩(wěn)定性強(qiáng)，耐反復(fù)沖擊且拆卸方便。作為性能較好的耐磨材料，在合金鋼中添加不同含量和種類的合金元素，對(duì)碳含量進(jìn)行調(diào)整，在不同的熱處理工藝下，可獲得不同的力學(xué)性能。

磨機(jī)襯板也會(huì)采用這種材料，尤其適用于大型磨機(jī)襯板。其中馬氏體 Cr-Mo 合金耐磨性較好，珠光體 Cr-Mo 合金沖擊韌性高，因此馬氏體 Cr-Mo 合金鋼襯板適用于大型自磨機(jī)，珠光體 Cr-Mo 合金鋼襯板適用于大型半自磨機(jī)。

2.2 橡膠襯板

橡膠襯板由彈性聚合物材料構(gòu)成，具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，安裝快捷且隔音消音，質(zhì)量輕，可以減輕磨機(jī)質(zhì)量，有利于節(jié)省電能[9]。缺點(diǎn)是自身較厚，會(huì)導(dǎo)致磨礦介質(zhì)消耗增多，磨機(jī)處理能力下降。與合金搭配制成復(fù)合型襯板，可用于磨機(jī)的端襯板、進(jìn)出料口襯板。自 20 世紀(jì) 60 年代橡膠應(yīng)用于球磨機(jī)襯板，大幅度降低了磨機(jī)運(yùn)行噪聲，并且因其有極好的抗腐蝕性，提高了襯板使用壽命。但其也有明顯不足，較高的彈性導(dǎo)致在磨礦時(shí)會(huì)吸收一部分沖擊能量，降低了研磨效率。某選礦廠在φ5.5 m×8.5 m 球磨機(jī)中使用橡膠作為筒體襯板，磨礦效率下降了約10%。因此橡膠襯板不適合作為磨機(jī)筒體襯板，更適用于細(xì)磨作業(yè)以及作為進(jìn)出料口襯板、端襯板等。某冶煉廠渣選時(shí)采用橡膠襯板作為半自磨機(jī)進(jìn)料端端面襯板和小槽板，并將格子板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加最外圈 3根肋板的厚度，使磨礦效率和襯板壽命均有提高[10]。姚建超等人[11]發(fā)現(xiàn) KLM 立磨機(jī)使用聚氨酯襯板替代傳統(tǒng)的金屬格子襯板，無論是安裝拆卸還是使用壽命均有明顯優(yōu)勢，應(yīng)用效果良好。

2.3 磁性襯板

磁性襯板的外殼是金屬，因此能夠吸附磁性物質(zhì)進(jìn)而形成保護(hù)層。保護(hù)層分為三層：最內(nèi)層主要是高鐵粉礦等細(xì)料，中間層是顆粒比較粗或者是片狀的磁性物質(zhì)，而最外層則是低鉻鑄球及粗顆粒磁性礦物。當(dāng)磨機(jī)工作時(shí)，磁性物質(zhì)進(jìn)行極低速移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，內(nèi)層細(xì)顆粒會(huì)更加牢固地嵌在襯板上，外層處于動(dòng)態(tài)平衡，不斷損耗也不斷補(bǔ)充。理論上磁性襯板可以永久使用，但實(shí)際使用時(shí)，因金屬腐蝕以及保護(hù)層之間相互摩擦，也需要在幾年后定時(shí)更換。目前磁性襯板的使用壽命一般為 8～10 a，相較于普通金屬襯板，使用壽命提升了 5～8 倍。磁性襯板具有使用壽命長、安裝方便、噪聲較小、礦漿不易漏出、維修次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型強(qiáng)磁性礦物磨機(jī)筒體中。王超等人[12]將球磨機(jī)傳統(tǒng)金屬襯板換成磁性襯板后發(fā)現(xiàn)，可以減少研磨介質(zhì)的填充，使磨機(jī)能耗下降。

針對(duì)弱磁性礦或非磁性礦，使用傳統(tǒng)磁性襯板會(huì)出現(xiàn)磁性物質(zhì)吸附不牢靠的問題，導(dǎo)致襯板使用壽命縮短。北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司研發(fā)出 HM 型磁性襯板，對(duì)襯板的磁性材料、磁系參數(shù)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其具有大極面、小極距、表面磁場強(qiáng)度較高、磁場梯度大等優(yōu)點(diǎn)。目前在弱磁性礦物和非磁性礦物的生產(chǎn)中已經(jīng)開始運(yùn)用 HM 磁性襯板。某銅礦選廠四段磨礦中的第二、三段磨礦采用 HM 磁性襯板，使用壽命達(dá)到 3.5 a，是傳統(tǒng)金屬襯板使用壽命的5 倍。

姜磊等人[13]通過研究橡膠磁性襯板表面對(duì)不同材質(zhì)鋼球的吸附力時(shí)發(fā)現(xiàn)，橡膠磁性襯板對(duì)低鉻合金鋼球的吸附力最大，隨著鋼球中鉻含量增加，吸附力逐漸降低，這說明在采用橡膠磁性襯板時(shí)要選擇適合的研磨介質(zhì)。

2.4 橡膠金屬復(fù)合襯板

利用金屬襯板和橡膠襯板的各自優(yōu)勢，近幾年出現(xiàn)了橡膠金屬復(fù)合襯板，即在橡膠襯板上安裝鑲嵌合金件，使礦石沖擊到金屬上，發(fā)揮出金屬高硬度的優(yōu)點(diǎn)，并且大沖擊力被橡膠襯板吸收，可防止襯板變形，使這兩種材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)得以最大程度發(fā)揮。橡膠金屬復(fù)合襯板的優(yōu)點(diǎn)在于安裝簡單，使用壽命長，不易變形，廣泛應(yīng)用于進(jìn)料端口襯板、出料格子板。

3 結(jié)論

在綜合分析目前的襯板材質(zhì)和國內(nèi)外磨機(jī)性能后，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，得出如下結(jié)論：

(1) 高錳鋼適合作為大型球磨機(jī)筒體襯板，發(fā)揮其自身顯著的加工硬化效果，而不適合作為大型半自磨機(jī)筒體襯板。

(2) 高鉻白口鑄鐵更適合于φ2.5 m 以下、對(duì)沖擊強(qiáng)度要求比較低的小型球磨機(jī)筒體襯板。

(3) 合金鋼適用于大型磨機(jī)襯板，其中馬氏體 Cr-Mo 合金耐磨性較好，珠光體 Cr-Mo 合金沖擊韌性高，因此馬氏體 Cr-Mo 合金鋼襯板適用于大型自磨機(jī)，珠光體 Cr-Mo 合金鋼襯板適用于大型半自磨機(jī)。

(4) 橡膠襯板不適合作為磨機(jī)筒體襯板，更適用于細(xì)磨作業(yè)以及作為進(jìn)出料口襯板、端襯板。

(5) 磁性襯板具有使用壽命長、安裝方便、噪聲較小、礦漿不易漏出、維修次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型強(qiáng)磁性礦物磨機(jī)筒體襯板。

(6) 橡膠金屬復(fù)合襯板的優(yōu)點(diǎn)在于安裝簡單，使用壽命長，不易變形，廣泛應(yīng)用于進(jìn)料端口襯板、出料格子板。