大型半自磨機筒體襯板結(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中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2暨南大學(xué)先進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，半自磨機因其磨礦流程短、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)勢在各類大型礦山中廣泛應(yīng)用[1]。隨著磨礦工藝需求增加、研發(fā)設(shè)計能力提升及重型裝備制造業(yè)的發(fā)展，半自磨機大型化已成為一種趨勢[2]。

半自磨機是由進料端蓋、筒體部以及出料端蓋等零件組成的回轉(zhuǎn)體。在設(shè)備運行過程中，磨機襯板起到一定的保護作用，防止研磨介質(zhì)和物料的沖擊對筒體的破壞性磨損；同時使物料和介質(zhì)在拋落及瀉落時產(chǎn)生研磨效果，達到粉磨礦石的目的。磨機襯板設(shè)計是決定磨機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，其結(jié)構(gòu)合理與否對磨機性能、襯板使用壽命及磨礦效果產(chǎn)生重要影響。隨著磨機規(guī)格增大和自動化程度的提高，襯板磨損問題已變得越來越突出。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)備運轉(zhuǎn)率降低，最終對磨礦效率產(chǎn)生重大影響。

筆者結(jié)合國內(nèi)某大型銅礦φ11.0 m×5.4 m 半自磨機筒體襯板的實際應(yīng)用狀況，對襯板結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，以提高磨礦效率，降低綜合運營成本。

1 磨機運行工況

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

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

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

礦石性質(zhì)試驗對設(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)試驗主要有澳大利亞JK Tech 公司的 DWT 試驗、Bond 系列功指數(shù)試驗、高壓輥磨試驗及立式攪拌磨試驗等[3-4]。澳大利亞 JK Tech 公司 DWT 試驗是對礦石的抗沖擊破碎性能進行評估，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

通過對該礦礦石屬性分析可知，礦石主要為花崗巖型硫化銅礦石。對同規(guī)格半自磨機、不同類型礦石屬性進行對比，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稱型，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。

該半自磨機于 2016 年 10 月投入試運行，在試運行約 2 個月后，筒體襯板出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，整體磨損量較小。開裂部位位于提升條及底板處，以底板開裂為主，開裂形式大多為縱向貫穿開裂，嚴重區(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，整個采礦、粉磨系統(tǒng)給礦量不穩(wěn)定，難以滿足設(shè)計日產(chǎn)量要求；同時磨球的加入時機、頻次及加入量也不固定；加之因其他設(shè)備檢修的影響，磨機整體運行呈現(xiàn)非連續(xù)狀態(tài)。在此工況條件下，磨機內(nèi)綜合填充率低、物料層薄，運行瞬間磨球量大，使得襯板遭受巨大沖擊，斷裂風(fēng)險加劇。

圖4 筒體襯板開裂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裂現(xiàn)象。在整個運行周期中，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 t，襯板整體耐磨性有待提高。

3 襯板結(jié)構(gòu)改進及使用效果

3.1 結(jié)構(gòu)改進

首先對原筒體襯板結(jié)構(gòu)進行模擬計算，結(jié)合磨機的規(guī)格和轉(zhuǎn)速、鋼球直徑、磨機綜合填充率及襯板結(jié)構(gòu)等參數(shù)，采用 MillTraj 專業(yè)模擬軟件對半自磨機磨球運動軌跡進行模擬，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，而鋼球的拋落點卻位于第 4 象限靠近40°位置。顯然，在磨機運轉(zhuǎn)過程中，磨球拋落至物料趾部外，對物料的破磨作用減弱，反而直接砸向襯板，對襯板造成了巨大的、頻繁的沖擊，從而降低了磨礦效率，造成襯板過早損壞。因此，必須對筒體襯板進行結(jié)構(gòu)改進，以調(diào)整磨球、物料的拋落軌跡，改善鋼球直接對襯板的沖擊力。

在半自磨機規(guī)格、磨機轉(zhuǎn)速及磨球規(guī)格一定的條件下，影響磨機物料及鋼球運動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，對半自磨筒體襯板進行改進，采取的主要措施如下：

(1)增加襯板間隙，提高磨機性能 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，提高磨機性能[6-7]。部分提升條數(shù)量減少可以增加提升條間料倉體積，同時也可提高磨機每轉(zhuǎn)動一圈所提升的料漿，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，改變其運動軌跡和運動狀態(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，從而增強了其拋落時的破磨能力，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，落點就越靠近中心，襯板被撞擊的概率就會降低；相反，筒體襯板的面角越小，磨球被襯板提升的高度就越高，落點就越遠離中心，襯板被撞擊的概率就增大。因此，考慮通過增大筒體襯板面角來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

改進后通過模擬軟件對磨機磨球運動軌跡進行模擬，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，磨球的拋落點即為物料趾部，此時不但不會撞擊襯板，而且磨礦效率將達到最高。由此可以推斷，襯板的第一次結(jié)構(gòu)改進是比較合理的。

圖7、8 分別為改進后筒體襯板結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場安裝情況。筒體襯板結(jié)構(gòu)改進后，首套襯板于 2017 年7 月 25 日安裝運行，共連續(xù)使用 2 套，每套襯板平均處理礦量達到 326 萬 t，比原結(jié)構(gòu)襯板磨礦量提升41.74%，改進效果明顯。但同時該筒體襯板也存在不足之處：一是個別襯板質(zhì)量較重(達 2.43 t)，基本達到現(xiàn)場機械手的限制質(zhì)量(2.5 t)，對現(xiàn)場安裝造成一定的安全隱患，且增加了襯板安裝更換時間；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%，磨機負載加重，實際運行功率增加，磨礦能耗增加，大幅度提高了運行成本。

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

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

圖8 改進后筒體襯板安裝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 分別為改進后失效筒體襯板及磨損曲線示意。分析現(xiàn)場失效襯板剩余厚度以及磨損曲線可知，磨損嚴重部位主要位于出料端筒體襯板及筒體提升條提料側(cè)，而進料端筒體襯板以及非提料側(cè)磨損量較少，剩余厚度相對較多。

在基本保證磨礦效率的前提下，為達到進一步減輕筒體襯板質(zhì)量、降低采購和運行成本、提高襯板更換效率及提升襯板綜合性價比的目的，必須對筒體襯板進行再次結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

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

圖10 結(jié)構(gòu)改進后失效襯板磨損曲線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)化主要對不同部位進行差異化設(shè)計。如圖 11 所示，在襯板高-高排列形式下，根據(jù)實踐經(jīng)驗將進料端筒體襯板提升條高度適當降低，由 380 mm降低至 350 mm，出料端筒體襯板高度保持 380 mm 不變；在磨機單向旋轉(zhuǎn)條件下，筒體襯板維持 60°面角不變，通過適當減小非提升側(cè)角度，在減輕襯板質(zhì)量的同時，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，磨球的拋落點位于物料趾部，并沒有直接空砸襯板，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 日開始裝機運行，連續(xù)運行共計 3 套，相較于第一次結(jié)構(gòu)改進，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，平均處理礦量達到 310 萬 t。由此可以斷定，第二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化是成功的，整體性價比較高，獲得了客戶的認可。

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

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