半自磨機筒體襯板結構的模擬優化研究

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

礦物磨機是磨礦的核心裝備，具有處理量大、作業率高、適應性強等優點，其生產能力是衡量國家裝備制造業水平的重要標志。襯板作為礦物磨機的關鍵零部件，主要作用是保護磨機筒體，使筒體免受磨礦介質和物料的直接沖擊和磨損，同時提升物料和磨礦介質，使其在磨機筒體內部的運動軌跡符合設計要求，達到磨礦介質對物料的粉碎和研磨作用最大的目的[1-3]。隨著礦物磨機向大型化、高效能方向發展，尤其是越來越多大型礦物（半）自磨機在現場投入使用，國內礦物磨機襯板每年消耗量約為40 萬 t，合計約50 億～60 億元人民幣；同時因襯板磨損過快造成磨機停機頻繁，給礦山帶來了巨大的經濟損失。礦物磨機襯板研制涉及材料學、機械設計與制造、結構動力學等多專業學科，加之磨礦介質運動軌跡復雜，襯板使用工況惡劣，長期承受高沖擊、高磨損，設計難度大。筆者致力于半自磨機筒體襯板主要結構參數的模擬優化研究，旨在提高磨機處理能力，延長襯板使用壽命，達到提高礦物磨機生產效率的目的[4-6]。

1 筒體襯板結構模擬方法

半自磨機中磨礦介質及物料可視為離散顆粒的組合。對于數值計算方法而言，如果把顆粒群視為一個整體，用連續介質方法對其進行研究，但由于顆粒介質并不滿足連續性假設，因而無法分析每個顆粒的運動以及顆粒與顆粒之間的接觸作用，不能很好地解決顆粒運動軌跡分析的問題[7-8]。

離散單元法是把顆粒群簡化成具有一定形狀和質量的顆粒集合，集合中包括若干單獨的顆粒，通過計算某時刻各單獨顆粒間接觸和分離時產生的相互作用力，用牛頓第二定律建立運動方程，確定各顆粒單元的新位移。目前，離散單元法已成為研究散粒動力學問題的一種通用方法，在粉磨研究領域也得到了一定的應用。如 Mishra 用離散元軟件研究了不同直徑球磨機的功率，N.Djordjevic 研究了球磨機的轉速對功率消耗的影響[9-10]。

筆者采用離散單元模擬方法，以φ3.2 m×2.1 m半自磨機為仿真模型，磨機轉速為臨界轉速的 75%，磨礦介質為φ50 mm 鋼球，磨機填充率為 28%。進料端蓋周向布置18 排提升條，出料端格子板布置 18 排提升條，格子孔寬度60 mm，礦漿提升器沿周向布置18 排提升條。半自磨機仿真模型如圖1 所示。

圖1 半自磨機離散元仿真模型Fig.1 Discrete element simulation model of SAG mill

首先研究筒體襯板提升條排數對磨機效率的影響，因為筒體襯板提升條排數是影響磨機效率的最重要參數，也是確定筒體襯板結構的首要參數，且決定了筒體襯板孔的開孔排數，一經確定，后續無法修改；然后在合理布置筒體襯板提升條排數的基礎上，對筒體襯板的截面進行研究，以達到筒體襯板壽命等同的目的；最后通過對襯板面角的研究，來達到同時兼顧提高磨機生產效率以及延長襯板使用壽命的效果。

2 筒體襯板提升條排數的優化

磨礦介質通過筒體襯板提升條的連續提升，實現對物料的破碎及粉磨作用。提升條沿筒體周向布置的排數對介質運動規律有著重要的影響，進而影響半自磨機的生產效率。對磨礦介質在相同磨機轉速、不同筒體襯板提升條排數的運動狀況進行離散元仿真分析，如圖2 所示。

圖2 8 排與 16 排筒體襯板磨礦介質運行狀況Fig.2 Motion status of grinding media with 8 rows and 16 rows of shell liner

磨礦介質在不同襯板提升條排數下的提升高度角比較如圖3 所示。

圖3 磨礦介質在不同筒體襯板排數下的提升高度角Fig.3 Lifting height angle of grinding media with various number of row of shell liner

從圖3 可以看出，襯板提升條在8～20 排之間，磨礦介質提升高度角隨排數的增加而提高，經歷了從完全滑落狀態到部分滑落、部分拋落的狀態。提升條排數越多，對磨礦介質的提升能力越大，提升的數量越多，高度越高，對物料的磨削作用也越強，磨機效率越高。提升條排數在20～28 排之間，磨礦介質提升高度角隨排數的增加而減小，提升條排數越多，對磨礦介質的提升能力反而越小，說明提升條排數的增加使提升條之間的間隔減小，磨礦介質被間隔夾帶，數量隨之減少，提升能力下降，最終使磨礦介質無法得到充分提升，提高的數量和高度反而減少，磨機效率降低。

綜上說明，襯板提升條在筒體周向數量的多少，對磨礦介質的提升高度、拋落或滑落狀態有重要影響。在一定范圍內，提升條排數越多，磨礦介質被提升的數量越多，高度越高，磨機效率越高；但為了提高磨機效率而一味增加提升條排數卻不能達到良好的效果，如果排數布置過多，磨礦介質提高的數量和高度反而減少，磨機效率反而會降低。因此，應合理布置提升條在筒體周向上的排數，可根據相鄰2 個提升條的間距確定周向上的筒體提升條排數，半自磨機的相鄰提升條間距應該控制在500～540 mm。

3 筒體襯板截面積的優化

磨機筒體內的磨礦介質與物料運動特性復雜，筒體襯板長期承受高沖擊和高磨損，襯板壽命偏短。不同倉位筒體襯板的使用工況與磨損量有很大的不同，一般筒體襯板的截面積相同，導致不同倉位的筒體襯板壽命不等同，造成襯板材料浪費，磨機停機檢修時間增加，生產效率降低。為了解決筒體襯板壽命不等同的問題，對筒體襯板截面進行優化，對半自磨機不同倉位筒體襯板的工況以及磨損規律進行分析。

半自磨機沿筒體周向布置20 排襯板提升條，通過離散單元法，分別對半自磨機筒體沿長度方向7 個位置的工況進行仿真分析。這7 個截面的磨礦介質運動情況如圖4 所示，料堆厚度變化情況如圖5 所示，磨礦介質提升高度比較如圖6 所示。

圖4 沿筒體長度方向上7 個截面的磨礦介質運動情況Fig.4 Motion status of grinding media on 7 sections along direction of shell length

圖5 筒體不同截面位置料堆厚度變化情況Fig.5 Variation of charge thickness at various section of shell

圖6 筒體不同截面位置磨礦介質拋落角度變化情況Fig.6 Variation of falling angle of grinding media at various section of shell

從圖5、6 可以看出，靠近筒體出料端的料堆厚度較低，長度約占筒體有效磨礦長度的 1/6；靠近筒體出料端的磨礦介質拋落角較高，對筒體襯板沖擊嚴重，并且由于出料端格子板提升條攪動帶起來的磨礦介質拋落較多，對出料端筒體襯板的沖擊更為嚴重。

通過記錄各倉位筒體襯板的磨損數據，對比襯板的輪廓變化，得出襯板的磨損規律曲線如圖7 所示。

圖7 襯板磨損規律曲線Fig.7 Curve of liner wear law

根據襯板磨損速率的不同，將襯板整個壽命周期分為4 個磨損階段，V1、V2、V3、V4分別為各階段襯板磨損速率，

式中：C為各階段磨損掉的襯板厚度，mm；D為各階段襯板的處理量，萬 t。

A1、A2、A3、A4分別為各磨損階段占襯板整個壽命周期的比例。

式中：L1為襯板有效厚度，L1=設計尺寸-失效尺寸，mm；E為目標處理量，萬 t。

通過對磨機不同倉位筒體襯板的磨損規律進行分析，將筒體襯板設計成不同的截面，出料端筒體襯板的提升條高度與寬度均增加，截面積大于進料端筒體襯板，以保證襯板壽命等同，實現襯板同步更換，提高了襯板材料利用率與磨機效率。

4 筒體襯板面角的優化

筒體襯板面角是指襯板提升條輪廓線與襯板中心線之間的夾角，是影響磨機效率的重要參數。目前筒體襯板均采用等面角設計，不能兼顧磨機處理能力與襯板壽命2 個重要指標。通過對筒體襯板面角的研究，提出筒體襯板變面角的設計方法，達到磨機處理能力與襯板壽命兼顧的使用效果。

對筒體襯板面角分別為 24°、28°時的磨機處理能力以及襯板磨損量進行對比，如圖8、9 所示。

圖8 面角對磨機處理能力的影響Fig.8 Influence of face angle on mill throughput

圖9 面角對襯板壽命的影響Fig.9 Influence of face angle on liner lifespan

從圖 8、9 可以看出，筒體襯板面角為 28°時，磨機處理能力比面角為 24°時高20% 以上，但是面角為 28°時，筒體襯板的磨損量比面角 24°時高，尤其是在襯板壽命后期，磨損量高 50%。所以面角 28°的筒體襯板在磨機效率上優于面角 24°筒體襯板，但是在使用壽命上卻低于面角 24°的筒體襯板。

為了保留 28°筒體襯板磨礦效率高的優勢，同時為了提高 28°面角筒體襯板的使用壽命，設計出了變面角的筒體襯板結構，即筒體襯板截面頂部面角按28°設計，下部面角按 20°設計。28°/20°變面角結構筒體襯板與 28°面角筒體襯板的磨機處理能力和襯板磨損量比較如圖10、11 所示。

圖10 變面角結構對磨機處理能力的影響Fig.10 Influence of structure of variable face angle on mill throughput

圖11 變面角結構對襯板壽命的影響Fig.11 Influence of structure of variable face angle on liner lifespan

從圖 10、11 可以看出，28°/20°變面角結構筒體襯板的磨機處理能力與 28°面角的磨機處理能力基本持平，但是 28°/20°變面角結構筒體襯板的磨損量比面角 28°筒體襯板的磨損量低，尤其在襯板壽命后期，磨損量低達 25%。所以 28°/20°變面角的筒體襯板在保證磨機效率的前提下，提高了襯板使用壽命。

5 結論

通過以上研究得出，半自磨機筒體襯板在結構設計時要兼顧生產效率與襯板的使用壽命這2 個重要指標。

（1）筒體襯板提升條的排數對磨機的生產效率有重要影響，應合理布置筒體襯板提升條在筒體周向上的排數，半自磨機的相鄰提升條間距應在500～540 mm 之間。

（2）不同倉位的筒體襯板有不同的使用工況與磨損規律，為了提高筒體襯板總體使用壽命，在磨機長度方向上應采用變截面設計，出料端筒體襯板的截面積應大于進料端筒體襯板的截面積，以實現襯板等壽命，減少襯板材料的浪費。

（3）筒體襯板面角對磨機生產效率與襯板壽命有著重要的影響，變面角的筒體襯板結構能夠兼顧磨機效率高與襯板壽命長這2 個重要運行指標，是筒體襯板設計的方向。