一種大型半自磨機(jī)筒體襯板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

田宗玉，岳建國(guó)，刁曉剛，魏 偉，張磊磊，岳衛(wèi)國(guó)，楊延飛

1中信重工洛陽重鑄鐵業(yè)有限責(zé)任公司 河南洛陽 471000

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

半自磨機(jī)內(nèi)部有大量鋼球、塊狀物料及礦漿，工況較為惡劣。為延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，磨機(jī)端蓋及筒體部位均裝有襯板。半自磨機(jī)筒體襯板能避免鋼球直接沖擊筒體，使其不受礦漿侵蝕；還能提升物料及鋼球，使其在磨機(jī)內(nèi)部具有一定的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，提高鋼球?qū)ξ锪系姆鬯樾Ч?/p>

筒體襯板作為保護(hù)筒體的重要易損件，其使用壽命直接影響選礦廠的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。一般來說，筒體襯板的使用壽命即是磨機(jī)的檢修周期，筒體襯板的使用壽命越長(zhǎng)，選礦現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率也就越高。影響半自磨機(jī)筒體襯板的使用壽命主要與磨機(jī)規(guī)格、礦石屬性、磨機(jī)運(yùn)行工況、襯板的材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)[1]，實(shí)際生產(chǎn)中往往通過優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)其使用壽命。

云南某大型銅礦使用某公司生產(chǎn)的φ9.75 m×4.72 m 半自磨機(jī)，采用 SABC 磨礦工藝流程。運(yùn)行初期，半自磨機(jī)筒體襯板經(jīng)常出現(xiàn)不耐磨、碎裂現(xiàn)象，筒體襯板使用壽命只有 1 200 h，斷裂比例達(dá)到 26%，筒體襯板更換頻繁，磨礦系統(tǒng)開停機(jī)頻繁，維護(hù)成本高，選礦現(xiàn)場(chǎng)呈現(xiàn)生產(chǎn)不連續(xù)，產(chǎn)能提高受限的情況，嚴(yán)重制約了選礦廠的達(dá)產(chǎn)進(jìn)程。筆者根據(jù)原筒體襯板使用情況，并參考其它相同或相近規(guī)格半自磨機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)，借助專用軟件對(duì)筒體襯板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 筒體襯板優(yōu)化前結(jié)構(gòu)和使用情況

優(yōu)化設(shè)計(jì)前，半自磨機(jī)筒體襯板分為進(jìn)料端筒體襯板和出料端筒體襯板，采用 60 排 T 形高-低-高排布形式，即進(jìn)、出料端筒體襯板均為 30 排高襯板+30 排低襯板。共 3 種筒體襯板，進(jìn)出料端筒體低襯板結(jié)構(gòu)和尺寸相同。高襯板提升條高度為 285 mm (含底板)，低襯板提升條高度為 165 mm (含底板)，筒體襯板結(jié)構(gòu)如圖1 所示，裝配形式如圖2 所示。

圖1 原筒體襯板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of original shell liner

圖2 原筒體襯板裝配示意Fig.2 Assembly diagram of original shell liner

原結(jié)構(gòu)筒體襯板運(yùn)行日歷時(shí)間為兩個(gè)半月左右，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為 1 200 h，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)率為 66.6%，處理礦量約為 130 萬 t。襯板運(yùn)行期間，筒體高、低襯板均有斷裂，筒體高襯板沿螺栓孔處開裂，筒體低襯板沿螺栓孔處開裂并延展至底板。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查分析，現(xiàn)場(chǎng)綜合填充率為 19%，鋼球填充率為 13.4%，鋼球過多，物料較少。而原結(jié)構(gòu)筒體襯板提升條提料側(cè)面角較小，導(dǎo)致鋼球被過度提高，鋼球直接沖擊襯板，造成筒體襯板開裂。圖3、4 分別為筒體高、低襯板的斷裂情況。

圖3 筒體高襯板斷裂情況Fig.3 Fracture of high shell liner

圖4 筒體低襯板斷裂情況Fig.4 Fracture of low shell liner

為了準(zhǔn)確掌握該現(xiàn)場(chǎng)筒體襯板的磨損規(guī)律，使用襯板磨損在線測(cè)量技術(shù)[2]，對(duì)拆卸前筒體襯板的整體磨損情況進(jìn)行了三維掃描和數(shù)據(jù)分析。圖5 所示為原設(shè)計(jì)方案筒體高襯板提升條的剩余厚度，圖6 所示為筒體低襯板提升條的剩余厚度，圖7 所示為筒體高襯板底板剩余厚度，圖8 所示為筒體低襯板底板剩余厚度。由圖5～8 可以看出，筒體襯板高磨損區(qū)域位于筒體中段偏向出料端部位。根據(jù)三維數(shù)據(jù)結(jié)果，可精準(zhǔn)分析筒體襯板磨損規(guī)律，掌握筒體襯板高磨損區(qū)域位置，復(fù)核筒體襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于進(jìn)一步完善和優(yōu)化筒體襯板方案。

圖5 筒體高襯板提升條剩余厚度Fig.5 Residual thickness of lifting bar for high shell liner

圖6 筒體低襯板提升條剩余厚度Fig.6 Residual thickness of lifting bar for low shell liner

圖7 筒體高襯板底板剩余厚度Fig.7 Residual thickness of base plate for high shell liner

圖8 筒體低襯板底板剩余厚度Fig.8 Residual thickness of base plate for low shell liner

2 襯板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 筒體襯板排數(shù)

半自磨機(jī)筒體襯板提升條將鋼球、物料提升到一定高度并拋落，使鋼球、物料、襯板之間相互碰撞、摩擦，從而得到符合設(shè)計(jì)要求的物料粒度。根據(jù)文獻(xiàn) [3]，筒體襯板提升條數(shù)越多，提升的介質(zhì)就越多，粉磨的效率越高。筒體襯板的排數(shù)與半自磨機(jī)直徑 (英尺) 之比約為 1∶1。現(xiàn)場(chǎng)φ9.75 m×4.72 m 半自磨機(jī)的直徑是 32 英尺，主機(jī)筒體襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為 30 排高襯板+30 排低襯板，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的筒體襯板仍采用 30 排高襯板+30 排低襯板排布方案。

2.2 筒體襯板提升面角

根據(jù)文獻(xiàn) [4]，在磨機(jī)轉(zhuǎn)速、鋼球大小、磨機(jī)直徑、綜合填充率一定的情況下，筒體襯板對(duì)物料、鋼球的提升效果主要與筒體襯板的提升面角、提升條高度與間距之間的比值 (S/H) 有關(guān)。提升面角越小，鋼球拋落的距離越遠(yuǎn)，鋼球直接沖擊襯板的概率越高，襯板斷裂風(fēng)險(xiǎn)加大；提升面角越大，鋼球拋落的距離越小，鋼球直接沖擊襯板的概率降低，同時(shí)也降低了對(duì)物料的粉碎效果，磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量下降，影響選礦廠產(chǎn)能穩(wěn)定性。

現(xiàn)場(chǎng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 10.66 r/min，鋼球大小為 127 mm，磨機(jī)直徑為 9.75 m，綜合填充率為 19%。借助專用模擬軟件，仿真分析了鋼球的拋落位置及距離，重新復(fù)核筒體襯板結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，當(dāng)筒體襯板提升面角為 40°時(shí)，鋼球拋落在料堆趾部。此時(shí)，鋼球?qū)ξ锪系姆鬯樾Ч詈茫覜_砸襯板的概率較小，鋼球拋落軌跡如圖9 所示。筒體襯板在磨機(jī)運(yùn)行期間，提升條不斷磨損，提升面角變大，此時(shí)筒體襯板的提升效果變?nèi)?，因此在本次筒體襯板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，采用變提升面角設(shè)計(jì) (30°/40°)。一方面，筒體襯板上部大提升面角既能使筒體襯板在運(yùn)行初期就快速達(dá)到額定臺(tái)時(shí)產(chǎn)量，又能使鋼球不直接沖擊襯板，降低襯板斷裂風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，在使用后期，隨著襯板磨損，下部提升面角接近最佳提升面角，能夠提高筒體襯板運(yùn)行中后期的磨礦效率[5]。

圖9 鋼球拋落軌跡模擬Fig.9 Simulation of steel ball dropping trajectory

2.3 筒體襯板高度

根據(jù)用戶對(duì)筒體襯板的使用壽命要求以及前期其他廠家襯板使用情況，同時(shí)參考相同和相近規(guī)格半自磨機(jī)筒體襯板高度，本次筒體襯板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案確定為：筒體高襯板總高 360 mm，低襯板總高 230 mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后筒體高襯板結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖10 所示，優(yōu)化后的襯板裝配情況如圖11 所示。

圖10 優(yōu)化前后筒體高襯板結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.10 Comparison of shell liner structures before and after optimization

圖11 優(yōu)化后筒體襯板裝配示意Fig.11 Assembly diagram of shell liner after optimization

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后筒體襯板的使用效果

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，筒體襯板共生產(chǎn) 2 套，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間達(dá)到 2 400 h，較優(yōu)化前提升了 104.2%；處理礦量達(dá)到 200 萬 t，超過用戶對(duì)筒體襯板的使用壽命要求；筒體襯板整體磨損情況較為均勻 (見圖12)，斷裂比例由 26% 降至 2%。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，完成了選礦廠達(dá)產(chǎn)提能目標(biāo)。

圖12 筒體襯板優(yōu)化后整體磨損情況Fig.12 Overall wear condition of shell liner after optimization

3 結(jié)語

運(yùn)用 3D 激光掃描分析技術(shù)，對(duì)磨機(jī)襯板磨損情況進(jìn)行精準(zhǔn)分析，同時(shí)應(yīng)用模擬軟件，仿真分析了鋼球的拋落軌跡，通過對(duì)φ9.75 m×4.72 m 半自磨機(jī)筒體襯板高度及提升面角的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了鋼球襯板的超預(yù)期磨損和斷裂，提高了襯板壽命和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，取得了良好的使用效果。