球磨機襯板磨損對物料研磨效果的影響研究

張志勇，劉云峰，符惜煒，楊柳松

1中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

2洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

3智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

襯板是球磨機的重要組成部分，是保證球磨機正常工作的關鍵部件之一。由于球磨機襯板的工作環境十分惡劣，且工況復雜多變，因此球磨機襯板磨損是一個極其復雜的過程，涉及的因素非常多[1]。球磨機在工作時，安裝在筒體內表面的襯板不僅要承受研磨介質的沖擊、研磨，還要承受礦漿腐蝕帶來的損耗。因此，在保證球磨機正常工作的條件下，如何減少筒體襯板的磨損，增加筒體襯板的使用時間，為企業提質增效，就成了一個重要的研究方向。

當前，不少企業、高校從各個不同方向上對球磨機襯板的材料性能、磨損機理、結構以及使用參數等開展研究，取得了不少的成果。滿達虎等人[2]研究了不同的沖擊功數值對球磨機襯板沖擊腐蝕性能的影響，得到了沖擊功對材料的沖擊腐蝕機理有重要影響的結論；趙亮等人[3]研究了球磨機襯板的形狀對設備工作效率的影響，得出不同的襯板形狀不僅會對運動介質的運動軌跡產生影響，還會對磨機的功率產生較大影響的結論；汪滋潤等人[4]從耦合計算的角度，通過 EDEM-FEM 的耦合，研究了球磨機在不同轉速下，襯板在研磨介質作用下的應力變化。

綜上可知，目前對于球磨機筒體襯板的研究大多數集中在了襯板的本身，無論是對襯板材料的性能提升研究，還是對襯板截面的優化設計研究皆是如此。沒有人研究在筒體襯板不同的磨損階段，礦石物料被研磨的效果是如何變化的，對球磨機系統的運行功率有何影響，以及如何確定筒體襯板需更換的臨界時間點等。筆者詳細研究了在球磨機筒體襯板不同的磨損階段，球磨機一些關鍵指標的變化規律，增加對球磨機運行機理的了解。

1 球磨機筒體襯板磨損規律及計算模型說明

球磨機筒體襯板在工作時，隨著使用時間的增加，其磨損具有一定的規律性。因此，為了準確計算球磨機內研磨介質在筒體襯板不同的磨損階段，其運動的變化規律，就需要對筒體襯板在整個工作周期內不同階段的磨損情況進行跟蹤研究。基于這種研究思路，筆者采用三維激光掃描儀，對球磨機筒體襯板不同的磨損階段進行三維掃描，得到不同階段筒體襯板磨損的擬合截面如圖1 所示。

圖1 球磨機筒體襯板不同磨損階段截面Fig.1 Sections of different wear stages of shell liner for ball mill

按照圖1 實測的襯板磨損截面，進行計算模型的三維造型，共得到球磨機筒體襯板的 7 種計算磨損模型。由于球磨機筒體襯板在筒體內的分布規律是完全一致的，因此為了縮短計算時間，提高計算效率，在進行球磨機計算模型三維造型時，只取 1 000 mm長的一段筒體作為研究對象[5]，通過設置“周期性邊界條件”來模擬其余筒體的影響。

2 計算條件

需要說明的是，筆者所列的計算條件分為磨機模型與運行參數條件和 EDEM 軟件計算需要設置的條件。

磨機模型與運行參數條件的具體數值如表1、2所列。在離散元 EDEM 軟件中，常需要設置的參數包含：研磨介質的泊松比、剪切模量、密度、介質與介質之間的動摩擦因數和靜摩擦因數、恢復系數等，具體數值如表3 所列。對于計算中出現的不同材料，都需要在計算之前對材料性能參數做出說明。這里由于磨機筒體和研磨介質所用的材料一樣，所以材料參數只列出一種。

表1 球磨機尺寸參數Tab.1 Size parameters of ball mill

表2 研磨介質級配參數Tab.2 Gradation parameters of grinding medium

表3 EDEM 分析需要設置的條件Tab.3 Conditions to be set for EDEM analysis

3 研究結果分析

按照上述計算條件，分別對球磨機筒體內研磨介質的運動規律進行研究計算，得到了球磨機在筒體襯板的不同磨損情況下，內部研磨介質的運動規律。要研究襯板的磨損變化對球磨機運行狀態的影響，還需要對這些計算數據一一進行分析。筆者將從球磨機內研磨介質的宏觀運動狀態、運行功率、高速研磨介質所占比例等方面開展數據分析。

3.1 筒體襯板不同的磨損狀態對球磨機宏觀狀態影響

通過將 7 種不同磨損狀態下的筒體襯板內研磨介質的運動狀態進行對比，可以發現：球磨機筒體襯板的磨損狀態對設備內研磨介質的運動狀態影響很大，如圖2 所示。

圖2 不同磨損工況計算對比Fig.2 Comparison of calculation for different wear conditions

由圖2 可知，隨著筒體襯板磨損量加大，宏觀上可見的襯板帶料能力下降很快，球磨機內的研磨介質由開始的被拋起狀態轉變為滑動狀態。這一點也可以從不同工況下，研磨介質被提升的最大高度值的變化中看到。將上述 7 種工況下研磨介質被提升的最大高度值 (筒體中心以上) 輸出，具體結果及變化曲線如表4、圖3 所示。

圖3 球磨機內物料提升高度 (筒體中心以上) 變化曲線Fig.3 Change curve of material lifting height (above the center of shell) inside ball mill

表4 不同工況下球磨機內物料提升高度 (筒體中心以上)Tab.4 Lifting height of materials inside ball mill under different working conditions (above the center of shell)

由圖3 可以看出，在筒體襯板的磨損過程中，研磨介質被提升的最大高度值一直處于下降狀態，這和圖2 所展示的結果是一致的。但由于球磨機內物料的研磨主要依靠的是研磨介質之間的相互滑動，因此不能簡單地以此判斷球磨機的研磨能力處于下降狀態，還需通過其他具體數據指標綜合判斷。

3.2 筒體襯板不同的磨損狀態對運行功率的影響

研究球磨機筒體襯板磨損對物料研磨能力的影響，還可以從設備的運行功率上進行分析。運行功率的變化直接反映了設備對物料輸出能量上的變化，也就說明了球磨機對物料研磨能力的變化。基于此種分析思路，輸出 7 種不同磨損工況下的設備運行功率，具體計算數值如表5 所列。需要說明的是，表5 中的運行功率數值已經按照實際球磨機長度等比例擴大。

表5 不同工況下設備的運行功率Tab.5 Operating power of equipment under different working conditions

對表5 中的數據進行處理分析，得到了球磨機計算運行功率隨筒體襯板磨損程度的變化曲線，如圖4所示。

圖4 球磨機計算運行功率隨筒體襯板磨損程度的變化曲線Fig.4 Change curve of calculated operating power of ball mill with wear degree of shell liner

由圖4 可以看出，隨著球磨機筒體襯板的磨損，整體設備的運行功率在逐漸下降。當襯板磨損到一定程度后 (如圖4 中的工況 5)，球磨機運行功率會隨著磨損量增加急劇下降。這說明設備內的輸入能量從此處開始處于一個快速下降的狀態，由于設備的固有機械消耗功率在運行過程中保持穩定，也就說明從此處開始，球磨機內的物料研磨效率下降速度加快。這對于監控設備運行狀態有益，提示從此時開始需要關注設備的筒體襯板磨損，根據現場情況考慮筒體襯板的更換時機。

3.3 筒體襯板的磨損狀態對研磨效果的影響

由3.2 可知，隨著球磨機筒體襯板的磨損，設備的運行功率在某一時刻快速下降，間接提示了設備內研磨效率在下降。但這也只是從宏觀輸入功率方面反映出來的設備內研磨情況的整體變化，而每一磨損階段產生的具體變化，還需要從其他方面具體分析。

球磨機在運行過程中，研磨介質相互間滑動越劇烈，研磨作用就越強。因此，球磨機內高速滑動的介質粒子所占比例大小，能反映出球磨機內研磨作用的變化。根據球磨機實際研磨情況，這里定義滑動速度大于 1.5 m/s 的研磨介質為高速滑動介質。基于這種研究思路，輸出 7 種不同襯板磨損工況下高速介質所占比例數值，結果及變化曲線如表6、圖5 所示。

圖5 球磨機內高速研磨介質占比變化曲線Fig.5 Change curve of proportion of high-speed grinding medium inside ball mill

表6 不同工況下球磨機內高速研磨介質占比Tab.6 Proportion of high-speed grinding medium inside ball mill under different working conditions

由圖5 可知，球磨機筒體襯板由工況 1 磨損到工況 2，雖然襯板磨損量比較大，但計算域內高速研磨介質的比例數值幾乎沒有變化；而由工況 2 磨損到工況 3，計算域內高速研磨介質的比例數值突然加速下降。結合圖1 中球磨機筒體襯板磨損截面圖可以發現，從工況 1 到工況 2，雖然襯板的磨損量很大，但磨去的材料僅是襯板提升條的一側凸起，襯板提升條的凸起高度并沒有變化；而由工況 2 到工況 3，隨著磨損量的加大，襯板提升條的凸起高度開始下降，由此導致了球磨機內高速研磨介質的比例數值突然下降。這些現象說明，影響球磨機內高速研磨介質所占比例的關鍵因素是筒體襯板提升條的凸起高度。一旦襯板提升條凸起高度因磨損開始產生變化，球磨機內高速研磨介質所占比例的下降速度基本保持一個數值，持續下降。

4 結論

通過研究球磨機筒體襯板磨損的過程中，研磨介質被提升的高度、運行功率及高速研磨介質所占比例的變化，得到了如下結論：

(1) 在球磨機筒體襯板的磨損過程中，研磨介質被提升的最大高度值一直處于下降狀態；

(2) 隨著球磨機筒體襯板的磨損，設備的運行功率逐漸下降，當襯板磨損到一定程度后，球磨機運行功率會加速下降，這對于監控設備運行狀態是有益的；

(3) 球磨機內高速研磨介質所占比例的關鍵影響因素是筒體襯板提升條的凸起高度。