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淺析大型磨機襯板使用壽命的影響因素
發布時間：
2022-11-03
來源：
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我國鑄造耐磨材料經過數十年的快速發展，現已較廣的應用于礦山、冶金、建材、電力及化工等行業。據統計，國內鋼鐵耐磨鑄件年消耗 350萬 t以上，預計總需求量年增長 5%～ 10%。由此可以看出，耐磨材料產業具有廣闊的發展前景。
我國鑄造耐磨材料經過數十年的快速發展，現已較廣的應用于礦山、冶金、建材、電力及化工等行業。據統計，國內鋼鐵耐磨鑄件年消耗 350萬 t以上，預計總需求量年增長 5%～ 10%。由此可以看出，耐磨材料產業具有廣闊的發展前景。
近年來，隨著富礦的枯竭和金屬需求量的增加，需處理的礦石總量逐年增加。為了降低基建投資和生產費用，提升勞動生產率，礦用磨機尤其是自磨機、半自磨機的大型化已成為磨礦設備的主要發展趨勢。以美卓、中信重工等為代表的裝備企業較大地推動了磨礦設備的大型化發展。自 2003年至今，中信重工已成功自主研發世界***大 φ12.2 m 自磨機，以及國內***大 φ11 m 半自磨機和 φ7.9 m 球磨機。
隨著磨機大型化和應用領域的多樣化，其裝配的襯板結構日益大型化、復雜化，襯板服役工況愈發惡劣。磨機襯板主要用來保護磨機筒體，使其避免研磨體和物料的直接沖擊。隨著市場對磨機襯板的需求量和期望值的持續提升，大型磨機襯板的壽命問題變得愈加突出。筆者根據磨機襯板工業化應用現狀，簡要介紹影響其使用壽命的相關因素。
1 磨機的類型及規格
自磨機是一種兼有破碎和粉磨的磨礦設備，其工作原理是在一定的轉速下，作為磨礦介質的物料因受到離心力和摩擦力的作用，被帶到一定的高度后在重力的作用下呈瀉落或拋落運動狀態，產生沖擊和磨剝作用，達到粉碎的目的。因物料比重小，拋落后對襯板的沖擊力較小，因此自磨機襯板的失效形式多為磨損失效。
半自磨機的工作原理與自磨機基本相同，區別在于除物料自身外，還添加部分磨球用來處理物料自磨時出現的部分頑石。磨球加強了物料及頑石的破碎效果，但同時磨球拋落過程中與襯板碰撞瞬間會產生巨大的沖擊力，對磨機襯板造成嚴重的沖擊，尤其在高球荷和低充填率的情況下這種現象更為明顯。目前大型半自磨機襯板失效形式主要為斷裂和磨損，且使用壽命一般僅為 2～ 6個月。
球磨機與半自磨機的破磨物料方式基本一致。目前磨礦工藝流程中，球磨作業一般設置在半自磨作業之后，進料粒度更細，磨球更小，襯板受到磨球和物料的沖擊小，其失效形式主要為磨粒磨損，使用壽命相對較長。大型球磨機襯板使用壽命一般為 10～ 12個月。
磨機規格對襯板壽命也有影響。隨著磨機規格的增加，物料或磨球被提升的高度增高，拋落向下的沖擊力增強，處理物料的能力增強，襯板的磨損加劇，尤其是半自磨機筒體襯板斷裂磨損相當嚴重。文獻[5]指出，采用 EDEM 仿真模擬技術研究 φ10.37 m 半自磨機發現，半自磨機每轉1圈，每塊襯板要承受大于 6×104 N 的沖擊力 449次，***大沖擊力達 1.31×106 N，襯板所受平均沖擊能量約 4 986 J，單個介質對襯板的***大沖擊能量達 820 J。由此可見，磨機的規格越大，襯板承受的沖擊力越強，斷裂風險越高。
2 磨機運行工況
當磨機處于試運行期間，磨礦工藝參數處于摸索階段，給礦量不穩定，磨球的加入時機、頻次及加入量也不固定;此外，因停機檢修造成磨機反復啟動，筒體內物料少，磨球數量突然增加，襯板瞬間遭受巨大沖擊，斷裂風險增大。實踐表明，在磨機試運行期間，襯板斷裂嚴重，而磨損相對較輕，因此通常建議應優先保證磨機內綜合充填率，縮小磨球的加入規格、加入量及加入頻次，同時適當調整磨機轉速，為磨機正常運行積累數據，為襯板優化提供可靠的方向。
當磨機處于正常運行期間，實際工況條件主要包括磨機轉速，物料充填率，磨球硬度、尺寸及充填率以及礦石屬性等幾個方面。
2.1 磨機轉速
磨機轉速對物料的破碎研磨效果影響很大。磨機轉速增加，磨球及物料整體的旋轉高度上升，拋落點增高且拋落距離增大，磨球的沖擊破碎動量增強。隨著循環沖擊次數的增加，襯板的沖擊磨損愈加嚴重。雖然提升磨機轉速可以快速提升磨機的處理能力，但同時常造成襯板斷裂而過早失效，有時還伴有磨機“吐球”及漏漿現象，增加了磨機檢修及襯板更換頻次，影響磨機運轉率。生產中需要根據襯板結構及磨球充填率，選擇合適的磨機轉速。
2.2 物料充填率
當磨機轉速及磨球充填率穩定時，物料給入量、礦塊組成及充填率對磨礦過程起決定性作用，及時掌握物料充填率是磨機穩定生產的關鍵。物料充填率過高，磨礦的拋落高度差降低，破碎效率下降，磨機工作不穩定，極易產生“漲肚”現象;物料充填率過低，筒體內物料較少，厚度較薄，磨球直接沖擊襯板極易造成襯板斷裂失效，甚至在螺栓孔處發生漏漿現象，影響設備的正常運轉。實踐表明，半自磨機綜合充填率以 25%～30% 為宜;物料質量和塊度配比基本不變，一般大小塊各占 50%。只有保持穩定的物料填充率，磨機才能發揮良好的破碎研磨效果。
2.3 磨球的硬度、尺寸及充填率
磨球的硬度、尺寸及充填率等因素對襯板的使用及磨礦效果有重要影響。磨球與襯板的合理匹配是改善破磨效率、降低生產成本的有效途徑，是提升襯板使用壽命的關鍵。磨球與襯板的耐磨性是相對的關系，磨機內磨球、襯板與物料組成一個磨料磨損系統，磨球和襯板的磨損方式是伴隨有沖擊載荷的三體磨料磨損。
(1)磨球硬度 磨球硬度提升，襯板抗磨損能力下降，即襯板的使用壽命降低;磨球硬度低于襯板硬度時，磨球的抗磨損能力降低，磨球消耗過大，生產成本提升。
(2)磨球尺寸 磨球大小是決定磨礦效果的一個關鍵因素。實踐表明，磨球大小和給料粒度之間存在一定的關系。在物料較硬、粒度較大時，較大的磨球、一定磨球充填率，可獲得良好的破碎研磨效果。磨球越大，其勢能越大，拋落過程中磨球對襯板的沖擊越大，襯板使用壽命越短。實際磨礦過程中單一尺寸的介質運動不能滿足磨礦效果，只有將不同尺寸的介質混合匹配，才能提升磨礦效率。
(3)磨球充填率 磨球充填率也是影響磨機粉磨效率的一個重要因素。在筒體容積一定的條件下，提升磨球充填率可增加粉碎物料的有效介質，磨機處理能力增加;但磨球充填率過高，沖擊次數過多，研磨面積過大，磨球和襯板磨損嚴重，尤其在半自磨機物料供給不足時，襯板會斷裂甚至掉塊，危及筒體安全。通常磨球充填率的選擇應遵循以下規律：當物料粒度、硬度較大時，可適當提升磨球充填率;磨機轉速較高時，充填率可以稍低一些。
2.4 礦石屬性
礦石自身屬性對磨礦效率也有一定影響。礦體、礦段、成因的不同造成礦石性質存在一定差異，磨礦效率往往存在很大波動，尤其是礦石硬度變化嚴重影響磨機的穩定性。
礦石的碎磨特性參數，諸如邦德球磨功指數、礦石的磨蝕指數及 JK Tech 落重試驗參數 (ta、DWi)、礦石的可磨度或可磨度系數等需通過試驗獲取。目前常參照礦石 A×b 值和邦德球磨功指數 BWi 值表征礦石的軟硬程度。A×b 值越小，說明礦石越難破碎;反之，說明礦石越易破碎。球磨功指數 BWi 值越大，說明礦石越難磨;反之，說明礦石越易磨。
礦石的破碎、研磨難易程度對磨機襯板及磨球產生重要影響。礦石難破碎、難研磨，需要的破磨能量增加，磨球與物料、磨球與襯板之間沖擊及揉搓力增強，襯板斷裂風險大，磨損嚴重。如國內某鉬礦，礦石 A×b<30.邦德球磨功指數大于 15.屬于極硬礦，該礦磨機采用 φ150 mm 磨球時，運行初期和中期襯板均發生大量斷裂，需要頻繁更換襯板，嚴重影響磨機的運轉率。因此襯板的結構設計及選材需同時考慮礦石屬性。
3 襯板結構
襯板結構設計是影響磨機性能的關鍵環節，需與選礦工藝合理匹配，以使磨機處于***佳運行狀態。襯板結構對磨機的產能、能耗、破碎質量等方面有直接影響，可以說磨機襯板的設計優劣對磨機運行起著至關重要的作用。合理的襯板設計能夠降低物料對筒體不必要的沖擊，磨礦效率達到***高值，能耗達到***低值。襯板的結構參數主要包括襯板高度、襯板面角及襯板間隙等。
(1)襯板高度 襯板高度增加可以提升磨球及物料的沖擊力，有利于改善物料的破碎效果。田秋娟等人指出，在一定轉速下，當襯板高度由 50 mm 提升至 200 mm 時，***高沖擊能量由 53.45 J 增加到 80.91 J，與此同時，襯板受到的沖擊、磨損加劇。襯板高度增加還會引起一些不利影響，一方面減小磨機筒體容積，進而減小介質有效工作空間，降低磨機效率;另一方面，大量介質與礦料處于筒體與襯板接觸區域形成的研磨死角，降低了磨礦效率。提升條高度一般為磨料或介質半徑的奇數倍，該倍數通常選取 1～3.當磨機轉速一定時，襯板提升條高度增加，提升物料的能力增強，沖擊能量也相應增加。
(2)襯板面角 襯板面角也是結構設計的重要參數之一。改變筒體提升條面角會改變磨球、物料在筒體內的運動軌跡，從而改變物料與磨球在磨機內的沖擊點。付開進發現，在同一轉速下，襯板面角增大，提升作用降低，處于拋落狀態的物料和磨球數量減少，對物料的沖擊破碎效果減弱;襯板面角變小，磨球和礦料對襯板的沖擊與磨削作用增強。在磨機運行過程中，襯板面角隨著磨損而增大，進而改變了介質運動效果。實踐表明，當筒體襯板面角設計不當，襯板會斷裂，尤其物料填充率低時這種現象更加明顯。這是因為低的物料充填率對襯板的保護作用弱，因此襯板極易發生斷裂。為獲得較好的磨礦效果，襯板的***佳面角需隨磨機轉速而調整，轉速較高時，襯板面角應適當增大。
(3)襯板間隙 襯板間隙指襯板提升條之間的間距，由襯板排列數量決定。合理的提升條間隙可***大限度增加物料的提升率，并避免夾料現象，從而提升磨機的性能。襯板排列數量增加，物料破碎效果提升。傳統設計中，筒體襯板排列數量大約等于筒體直徑 (英尺)的 2倍。減少部分提升條數量可增加提升條間料倉的體積，同時提升磨機每轉動一圈需提升的料漿，磨礦效率大幅度提升。在提升條空間寬闊的條件下，一方面物料易滑動，物料整體提升能力下降，襯板磨損加劇;另一方面，物料拋落較為分散。為達到良好的磨礦效果，通常通過增加磨機轉速來提升物料的提升能力，但磨球及物料對襯板的沖擊也隨之增強。加寬襯板，與筒體貼合不牢時開裂風險加劇。實踐中，當襯板間隙增大時，襯板面角應適當增大，以避免磨球對加寬襯板的直接沖擊。
劉建平等人利用離散元分析軟件 (EDEM)對半自磨機襯板的提升條排數、提升條面角、提升條高度等結構參數進行了優化，顯著提升了襯板的使用壽命。蔡興健等人通過階梯式優化襯板結構，使襯板整體磨損速率趨向一致，減少了襯板更換次數，磨礦細度提高到約 73%，同時有效降低了襯板采購成本。張浩對比了磁性襯板+溢流型排礦、錳鋼梯形襯板+格子型強制排礦、錳鋼梯形襯板+溢流型排礦等 3種襯板與排礦方式對再磨產品粒度的影響，結果表明，在其他磨礦條件相同時，不同襯板和排礦方式對再磨產品粒級組成有較大影響，影響后續選別作業。
4 襯板材料
多年來，國內外材料工作者對耐磨材料進行了較廣的而深入的研究，隨著國際學術及技術交流的增多、國際貿易的發展，我國耐磨材料及耐磨鑄件業發展迅速。目前，我國已形成了高錳鋼、高鉻鑄鐵、合金鋼、耐磨球鐵和鋼鐵基復合材料等五大系列耐磨產品。
(1)高錳鋼 高錳鋼受劇烈沖擊或接觸應力時，表面迅速硬化，芯部韌性仍較好，因而高錳鋼既抗磨損又抗沖擊的特點在抗強沖擊、大壓力方面是其他耐磨材料難以企及的。目前高錳鋼主要用于高沖擊負荷下的大型破碎機產品，如大型破碎機定錐襯板、動錐襯板、顎板、錘頭，挖掘機鏟齒及鐵道轍叉等。在高錳鋼基礎上發展了合金化改性高錳鋼、中錳鋼、低錳鋼，用于低沖擊負荷或低應力磨損工況;同時為改善厚大斷面錳鋼鑄件的組織和性能，發展了超高錳鋼。在礦山領域，高錳鋼起初應用于小型球磨機襯板，隨著襯板材料的發展，在大型球磨機及半自磨機襯板中開始逐漸使用合金化改性高錳鋼、中錳鋼。但因工況、磨機規格的不同，襯板使用壽命表現不一。目前高錳鋼襯板的主要問題是在大型磨機中易斷裂、延展變形，造成襯板拆卸困難，嚴重時將螺栓拉斷。這是因為高錳鋼屈服強度低，襯板在使用過程中受物料和磨球的不斷沖擊引起表面發生相變，造成局部體積增大和切向尺寸加大。
(2)高鉻鑄鐵 高鉻鑄鐵具有高耐磨性、高溫強度及耐熱性，被譽為繼普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵之后的第3代抗磨材料。目前高鉻鑄鐵已較廣的應用于礦山磨球、渣漿泵過流件、破碎機顎板、立磨襯板以及攪拌磨螺旋襯板等。高鉻鑄鐵雖然有高硬度及高耐磨性，但其韌性相對較差，僅 5～ 7 J/cm2.尤其不適用于強沖擊載荷工況的半自磨機，故做為磨機襯板其應用受到一定***。為了充分發揮其高耐磨性的特點，目前已嘗試在沖擊較弱的磨粒磨損工況下使用高鉻鑄鐵襯板。如自磨機進料端高鉻鑄鐵襯板較其他材質襯板使用壽命提升近 1倍，φ5 m 球磨機筒體壽命可延長至 2年。鑒于高鉻鑄鐵成本高、易開裂及性價比低的特點，今后需通過成分及工藝優化，逐步擴大其在磨機領域的應用。
(3)合金鋼 合金鋼分為低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金和低碳高合金等幾種，其化學成分中通常含有一定量 Cr 和 Mo，有的則含有較高的 Si 和Mn，熱處理后其組織為回火馬氏體或珠光體、碳化物。通過化學成分及熱處理的合理搭配，合金鋼可獲得高的硬度及良好的韌性，目前在濕式磨機襯板應用上已取得了成效。低合金珠光體鋼硬度 300～400HB，經得起反復沖擊，同時因其尺寸穩定性好，拆卸方便，目前已在 φ6 m 以上的大型半自磨機襯板上得到了較廣的應用。經驗表明，在沖擊磨料磨損工況下，單一追求高硬度而忽視材料的韌性將使襯板開裂率增大，同時其表面形成的微裂紋會加速基體磨損。因此合金鋼的發展方向是高強度、高硬度和良好韌性的合理配合，以***提升其抗沖擊和耐磨損能力。
(4)耐磨球鐵 耐磨球鐵現有馬氏體耐磨球鐵和貝氏體-馬氏體耐磨球鐵，這兩種耐磨球鐵通過液淬熱處理獲得高硬度及一定的韌性，目前已應用于球磨機襯板、磨球等耐磨件。等溫淬火球鐵具有高強度、一定韌性和良好的加工硬化特性，目前在國內外已廣泛應用于磨機磨球、齒輪、凸輪軸、汽車牽引鉤等易磨損件。
(5)鋼鐵基復合材料 鋼鐵基復合材料是近年國內外耐磨材料研究開發的熱點之一。我國鋼鐵基耐磨復合材料經歷了雙液雙金屬材料、高鉻鐵-鋼鑲鑄材料、高鉻鐵-鋼機械組合材料及鋼-橡膠復合材料等幾個階段。雙液雙金屬復合材料已應用于破碎機錘頭、破碎機襯板等耐磨件，且具有一定的沖擊韌性和高硬度，產品壽命得到提升。目前，球磨機襯板也在逐步嘗試采用雙液雙金屬復合材料，但尚需長期工業化驗證。鋼-橡膠復合材料具有質量輕、耐磨等特點，有利于降低磨機運行功率和成本，目前已廣泛應用于大型自磨/半自磨機出料端襯板，且獲得了用戶的肯定。
5 結語
綜上所述，影響磨機襯板使用壽命的因素眾多，因此，大型磨機襯板的壽命評估需要綜合考慮磨機選型、運行工況、襯板結構和襯板材料等諸多因素。針對客戶需求，只有選擇各種因素相匹配的襯板，才能減少停機次數，從而有效提升磨機磨礦效率及產能。
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