襯板結構與磨機效率的相關性研究

劉建平

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

隨著世界選礦工藝的大型規模化發展，礦用磨機呈現大型化發展趨勢，同時市場對襯板的大量需求，以及對襯板耐磨壽命期望值的增加，加劇了礦用磨機襯板的市場競爭，對礦用磨機襯板的使用壽命和磨礦效率提出了更高的要求。襯板結構的優化有助于提高磨機的粉磨效率，增加產量，降低金屬消耗。對襯板結構進行優化設計，開發適用于不同工況、不同種類磨機且性能優良的襯板結構，進而提高整機的壽命和性能，以滿足用戶的需求，已成為襯板領域亟需解決的問題[1-2]。襯板結構優化需要有基于襯板全壽命周期的磨損情況以及處理能力等數據，從提高壽命和處理能力兩個方面出發，對襯板結構進行優化。

1 不同襯板結構對自磨機生產效率的影響研究

針對自磨機筒體襯板提升條排數、排料端襯板結構等進行研究，主要目的是延長自磨機的襯板壽命，提高自磨機的磨礦效率和排礦能力，減少過磨和單位功耗。通過對不同襯板結構對自磨機臺時處理能力的影響研究發現，自磨機的磨礦機理以磨剝作用為主、沖擊破碎作用為輔，因此，襯板結構設計將以此為基礎進行優化。

1.1 54 排對稱筒體襯板＋直形排料襯板結構 (方案 1)

國外某鐵礦?12.2 m×11 m 自磨機筒體襯板在圓周方向上分為 54 排，在磨機長度方向上分為三段，筒體襯板提升條的面角向著排料端方向逐漸增加，符合物料在整個磨機長度方向上的粒度分布特征。54排對稱筒體襯板的截面形狀如圖 1 所示。

圖1 54 排對稱筒體襯板截面形狀Fig.1 Sectional shape of 54 rows of symmetric shell liner

出料端排料襯板采用直形結構，礦漿提升器與格子板提升器均為直線型，頑石窗尺寸為 24 mm×65 mm 和 12 mm×45 mm，開孔率為 10.7%，頑石排出量和粒度適中，有效增加了自磨機細粒級含量，提高了自磨機產能。出料端直形排料襯板結構如圖 2 所示。

圖2 出料端直形排料襯板結構Fig.2 Structure of straight discharging liner at discharge end

將54 排對稱筒體襯板和直形排料襯板結構配合使用，磨機的處理能力及襯板壽命如表1 所列。

表1 54 排對稱筒體襯板＋直形排料襯板結構使用數據Tab.1 Service data of 54 rows of symmetric shell liner+straight discharging liner

從表 1 數據可知，采用 54 排對稱筒體襯板+直形排料襯板結構，磨機在襯板整個壽命周期的平均處理能力為 1 192 t/h，最高可以達到 1 230 t/h 以上；平均臺時量較低，臺時量爬坡速度較慢；當提升條高度下降至約 300 mm 時，臺時量達到峰值。

1.2 36 排非對稱筒體襯板＋直形排料襯板結構 (方案 2)

為了提高磨機的處理能力，避免 54 排襯板筒體提升條間距過小而引起物料研磨死角，試圖通過改變襯板排數，增大提升條間距，以增加物料的滑動磨削作用；通過降低提升條高度，以減少大塊礦石提升過高而沖擊襯板，增加了礦石之間的磨剝作用，可有效降低自磨機單位功耗，進而提高自磨機磨礦效率[3-4]。因此設計出了 36 排非對稱筒體襯板＋直形排料結構的自磨機襯板。36 排非對稱筒體襯板的截面形狀如圖 3 所示。

圖3 36 排非對稱筒體襯板截面形狀Fig.3 Sectional shape of 36 rows of asymmetric shell liner

36 排非對稱筒體襯板和直形排料襯板結構配合使用，磨機的處理能力及襯板壽命如表2 所列。

從表 2 數據可知，采用 36 排非對稱筒體襯板＋直形排料襯板結構，在襯板全壽命周期內，磨機平均處理能力為 1 119 t/h，同樣在提升條剩余厚度磨損至300 mm 以下時，磨礦效果明顯提升，后期的平均產能為 1 417 t/h。但是相較于 54 排筒體襯板結構，36排非對稱筒體襯板使用壽命下降明顯，處理礦量大約為 280 萬 t 左右，襯板壽命過低成為該方案的短板。另外，直形排料襯板結構的通病是對物料較為敏感，磨礦效率會因為給料情況的波動而受到影響，磨機處理能力不穩定。

表2 36 排非對稱筒體襯板＋直形排料襯板結構使用數據Tab.2 Service data of 36 rows of asymmetric shell liner+straight discharging liner

1.3 36 排非對稱筒體襯板＋小弧形排料襯板結構 (方案 3)

為了解決直形排料襯板結構臺時量低、磨礦效率波動的問題，對出料端排料襯板的結構進行改進，研制出小弧形排料襯板結構。弧形排料襯板結構在同一卸料工作面上具有不同的卸料角，形成工作面卸料時間差，保證勻速卸料，同時返料量減少，減輕了物料顆粒對提升器的沖刷，延長了提升器和格子板的使用壽命[5-6]。小弧形排料襯板結構如圖 4 所示。

圖4 小弧形排料襯板結構Fig.4 Structure of small arc discharging liner

36 排非對稱筒體襯板和小弧形排料襯板結構配合使用，磨機的處理能力及襯板壽命如表3 所列。

表3 36 排非對稱筒體襯板＋小弧形排料襯板結構使用數據Tab.3 Service data of 36 rows of asymmetric shell liner+small arc discharging liner

由表 3 數據可知，使用小弧形排料襯板結構，排礦效率大幅提高，降低了自磨機的過磨作用，減少了礦漿池效應，適應較低的磨礦質量分數。在一段旋流器循環負荷為 270% 時，依然保持了較高產量。36 排筒體襯板提升條排料端面角為 45°，契合了自磨機的磨剝作用，因此磨礦效率較高，第 1 個月產量達到1 189 t/h，最高時穩定在 1 400 t/h。弧形排料襯板結構在磨礦效率上優勢明顯，但是缺點也很明顯。由于首套弧形襯板設計經驗不足，初始設計時工作面的面角比較大，導致使用到中后期，提升條幾乎沒有提料作用，造成滑動磨損做功占比增大，襯板磨損加劇，使用到 318 萬 t 時襯板已經達到壽命。

1.4 54 排非對稱筒體襯板＋大弧形排料襯板結構 (方案 4)

由于小弧形排料襯板在處理能力和 54 排筒體襯板在壽命上的優秀表現，同時為了解決 54 排對稱筒體襯板對臺時量的負面影響，研發出了 54 排非對稱筒體襯板+大弧形排料襯板結構，以兼顧自磨機磨礦效率和使用壽命 2 個重要指標。

54 排非對稱筒體襯板是指將筒體襯板的提升條設計成非對稱結構，增加提料面的面角，減小非提料面的面角，在保證襯板整體質量不增加的前提下，將更多有效金屬布置在提料面，提高襯板材料利用率和襯板壽命；同時增加筒體襯板提升條之間的間距，增加提料量，以提高磨機生產效率。大弧形排料襯板是指將外圈礦漿提升器的提升條弧度增大、加長，相比于小弧形排料襯板，可進一步提高排料能力及磨機生產效率[7-8]。本方案筒體襯板的截面形狀如圖 5 所示，大弧形排料襯板結構如圖6 所示。

圖5 54 排非對稱筒體襯板截面形狀Fig.5 Sectional shape of 54 rows of asymmetric shell liner

圖6 大弧形排料襯板結構Fig.6 Structure of large arc discharging liner

54 排非對稱筒體襯板和大弧形排料襯板結構配合使用，磨機的處理能力及襯板壽命如表4 所列。

從表 4 可知，該方案襯板累計處理干礦量為 422萬 t。襯板拆下時，除了出料端筒體襯板提升條最薄處剩余厚度為 106 mm，接近設計失效值 100 mm，其余部位均有一定的富余量。自磨機運行 1 個月就達到了 1 300 t/h 以上的臺時量，峰值達到 1 480 t/h，超越了以往所有襯板的表現，并且襯板壽命相較于 36 排小弧形襯板，從 318 萬 t 磨穿筒體襯板提升到 422 萬 t還有一點富余量。

表4 54 排非對稱筒體襯板＋大弧形排料襯板結構使用數據Tab.4 Service data of 54 rows of asymmetric shell liner+large arc discharging liner

通過磨損速率可以看出，大弧形排料襯板由于排料速度快，對礦石不敏感，磨礦效率較為穩定，整套襯板的壽命短板“出料端筒體襯板”在全壽命周期內沒有出現磨損加速的現象，磨損速率非常穩定，有利于得到精準的襯板使用壽命預測數據，襯板結構優化時可精確計算目標壽命所需要的截面尺寸[9-10]。

2 不同襯板方案的使用效果對比

以上 4 種襯板方案的處理能力對比如圖 7 所示，襯板壽命對比如圖 8 所示。

圖7 4 種襯板結構方案磨機處理能力對比Fig.7 Comparison of four liner schemes in mill throughput

圖8 4 種襯板結構方案襯板使用壽命對比Fig.8 Comparison of four liner schemes in liner lifespan

從圖 7、8 的對比可以看出：方案 4（54 排非對稱筒體襯板＋大弧形排料襯板結構）的表現最為優異，磨機處理能力和襯板壽命均遠高于其他 3 種方案；方案 3（36 排非對稱筒體襯板＋小弧形排料襯板結構）的表現次之，磨機處理能力較高，但是襯板壽命較短；方案 2（36 排非對稱筒體襯板＋直形排料襯板結構）與方案 1（54 排對稱筒體襯板＋直形排料襯板結構）的表現均較差，磨機處理能力較低，襯板壽命較短。所以方案 4 的襯板結構最為合理，最適合自磨機的磨礦規律，運行性能最優。

3 結論

自磨機的磨礦機理是以研磨和剪切作用為主、沖擊作用為輔，應該以此為基本原則進行襯板設計，襯板結構是影響磨礦效率的主要因素。隨著提升條高度下降，提升條面角加大，筒體襯板越到后期工藝性能越佳。較大的提升條面角、稍低的提升條高度以及相對大的提升條間距有利于自磨機的磨剝作用，但會相應降低筒體襯板壽命，需要在襯板壽命與磨礦效率之間尋找一個平衡。大弧形排料襯板結構在提高磨機處理能力以及襯板壽命 2 個重要指標上均具有顯著優勢，襯板耐磨性能和磨礦效率得到了提高，新襯板結構獲得了用戶的高度認可，該研究成果為磨機襯板技術的發展起到了借鑒作用。