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浅析大型磨机衬板使用寿命的影响因素
发布时间：
2022-11-03
来源：
网络
我国铸造耐磨材料经过数十年的快速发展，现已较广的应用于矿山、冶金、建材、电力及化工等行业。据统计，国内钢铁耐磨铸件年消耗 350万 t以上，预计总需求量年增长 5%～ 10%。由此可以看出，耐磨材料产业具有广阔的发展前景。
我国铸造耐磨材料经过数十年的快速发展，现已较广的应用于矿山、冶金、建材、电力及化工等行业。据统计，国内钢铁耐磨铸件年消耗 350万 t以上，预计总需求量年增长 5%～ 10%。由此可以看出，耐磨材料产业具有广阔的发展前景。
近年来，随着富矿的枯竭和金属需求量的增加，需处理的矿石总量逐年增加。为了降低基建投资和生产费用，提升劳动生产率，矿用磨机尤其是自磨机、半自磨机的大型化已成为磨矿设备的主要发展趋势。以美卓、中信重工等为代表的装备企业较大地推动了磨矿设备的大型化发展。自 2003年至今，中信重工已成功自主研发世界***大 φ12.2 m 自磨机，以及国内***大 φ11 m 半自磨机和 φ7.9 m 球磨机。
随着磨机大型化和应用领域的多样化，其装配的衬板结构日益大型化、复杂化，衬板服役工况愈发恶劣。磨机衬板主要用来保护磨机筒体，使其避免研磨体和物料的直接冲击。随着市场对磨机衬板的需求量和期望值的持续提升，大型磨机衬板的寿命问题变得愈加突出。笔者根据磨机衬板工业化应用现状，简要介绍影响其使用寿命的相关因素。
1 磨机的类型及规格
自磨机是一种兼有破碎和粉磨的磨矿设备，其工作原理是在一定的转速下，作为磨矿介质的物料因受到离心力和摩擦力的作用，被带到一定的高度后在重力的作用下呈泻落或抛落运动状态，产生冲击和磨剥作用，达到粉碎的目的。因物料比重小，抛落后对衬板的冲击力较小，因此自磨机衬板的失效形式多为磨损失效。
半自磨机的工作原理与自磨机基本相同，区别在于除物料自身外，还添加部分磨球用来处理物料自磨时出现的部分顽石。磨球加强了物料及顽石的破碎效果，但同时磨球抛落过程中与衬板碰撞瞬间会产生巨大的冲击力，对磨机衬板造成严重的冲击，尤其在高球荷和低充填率的情况下这种现象更为明显。目前大型半自磨机衬板失效形式主要为断裂和磨损，且使用寿命一般仅为 2～ 6个月。
球磨机与半自磨机的破磨物料方式基本一致。目前磨矿工艺流程中，球磨作业一般设置在半自磨作业之后，进料粒度更细，磨球更小，衬板受到磨球和物料的冲击小，其失效形式主要为磨粒磨损，使用寿命相对较长。大型球磨机衬板使用寿命一般为 10～ 12个月。
磨机规格对衬板寿命也有影响。随着磨机规格的增加，物料或磨球被提升的高度增高，抛落向下的冲击力增强，处理物料的能力增强，衬板的磨损加剧，尤其是半自磨机筒体衬板断裂磨损相当严重。文献[5]指出，采用 EDEM 仿真模拟技术研究 φ10.37 m 半自磨机发现，半自磨机每转1圈，每块衬板要承受大于 6×104 N 的冲击力 449次，***大冲击力达 1.31×106 N，衬板所受平均冲击能量约 4 986 J，单个介质对衬板的***大冲击能量达 820 J。由此可见，磨机的规格越大，衬板承受的冲击力越强，断裂风险越高。
2 磨机运行工况
当磨机处于试运行期间，磨矿工艺参数处于摸索阶段，给矿量不稳定，磨球的加入时机、频次及加入量也不固定;此外，因停机检修造成磨机反复启动，筒体内物料少，磨球数量突然增加，衬板瞬间遭受巨大冲击，断裂风险增大。实践表明，在磨机试运行期间，衬板断裂严重，而磨损相对较轻，因此通常建议应优先保证磨机内综合充填率，缩小磨球的加入规格、加入量及加入频次，同时适当调整磨机转速，为磨机正常运行积累数据，为衬板优化提供可靠的方向。
当磨机处于正常运行期间，实际工况条件主要包括磨机转速，物料充填率，磨球硬度、尺寸及充填率以及矿石属性等几个方面。
2.1 磨机转速
磨机转速对物料的破碎研磨效果影响很大。磨机转速增加，磨球及物料整体的旋转高度上升，抛落点增高且抛落距离增大，磨球的冲击破碎动量增强。随着循环冲击次数的增加，衬板的冲击磨损愈加严重。虽然提升磨机转速可以快速提升磨机的处理能力，但同时常造成衬板断裂而过早失效，有时还伴有磨机“吐球”及漏浆现象，增加了磨机检修及衬板更换频次，影响磨机运转率。生产中需要根据衬板结构及磨球充填率，选择合适的磨机转速。
2.2 物料充填率
当磨机转速及磨球充填率稳定时，物料给入量、矿块组成及充填率对磨矿过程起决定性作用，及时掌握物料充填率是磨机稳定生产的关键。物料充填率过高，磨矿的抛落高度差降低，破碎效率下降，磨机工作不稳定，极易产生“涨肚”现象;物料充填率过低，筒体内物料较少，厚度较薄，磨球直接冲击衬板极易造成衬板断裂失效，甚至在螺栓孔处发生漏浆现象，影响设备的正常运转。实践表明，半自磨机综合充填率以 25%～30% 为宜;物料质量和块度配比基本不变，一般大小块各占 50%。只有保持稳定的物料填充率，磨机才能发挥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对衬板的使用及磨矿效果有重要影响。磨球与衬板的合理匹配是改善破磨效率、降低生产成本的有效途径，是提升衬板使用寿命的关键。磨球与衬板的耐磨性是相对的关系，磨机内磨球、衬板与物料组成一个磨料磨损系统，磨球和衬板的磨损方式是伴随有冲击载荷的三体磨料磨损。
(1)磨球硬度 磨球硬度提升，衬板抗磨损能力下降，即衬板的使用寿命降低;磨球硬度低于衬板硬度时，磨球的抗磨损能力降低，磨球消耗过大，生产成本提升。
(2)磨球尺寸 磨球大小是决定磨矿效果的一个关键因素。实践表明，磨球大小和给料粒度之间存在一定的关系。在物料较硬、粒度较大时，较大的磨球、一定磨球充填率，可获得良好的破碎研磨效果。磨球越大，其势能越大，抛落过程中磨球对衬板的冲击越大，衬板使用寿命越短。实际磨矿过程中单一尺寸的介质运动不能满足磨矿效果，只有将不同尺寸的介质混合匹配，才能提升磨矿效率。
(3)磨球充填率 磨球充填率也是影响磨机粉磨效率的一个重要因素。在筒体容积一定的条件下，提升磨球充填率可增加粉碎物料的有效介质，磨机处理能力增加;但磨球充填率过高，冲击次数过多，研磨面积过大，磨球和衬板磨损严重，尤其在半自磨机物料供给不足时，衬板会断裂甚至掉块，危及筒体安全。通常磨球充填率的选择应遵循以下规律：当物料粒度、硬度较大时，可适当提升磨球充填率;磨机转速较高时，充填率可以稍低一些。
2.4 矿石属性
矿石自身属性对磨矿效率也有一定影响。矿体、矿段、成因的不同造成矿石性质存在一定差异，磨矿效率往往存在很大波动，尤其是矿石硬度变化严重影响磨机的稳定性。
矿石的碎磨特性参数，诸如邦德球磨功指数、矿石的磨蚀指数及 JK Tech 落重试验参数 (ta、DWi)、矿石的可磨度或可磨度系数等需通过试验获取。目前常参照矿石 A×b 值和邦德球磨功指数 BWi 值表征矿石的软硬程度。A×b 值越小，说明矿石越难破碎;反之，说明矿石越易破碎。球磨功指数 BWi 值越大，说明矿石越难磨;反之，说明矿石越易磨。
矿石的破碎、研磨难易程度对磨机衬板及磨球产生重要影响。矿石难破碎、难研磨，需要的破磨能量增加，磨球与物料、磨球与衬板之间冲击及揉搓力增强，衬板断裂风险大，磨损严重。如国内某钼矿，矿石 A×b<30.邦德球磨功指数大于 15.属于极硬矿，该矿磨机采用 φ150 mm 磨球时，运行初期和中期衬板均发生大量断裂，需要频繁更换衬板，严重影响磨机的运转率。因此衬板的结构设计及选材需同时考虑矿石属性。
3 衬板结构
衬板结构设计是影响磨机性能的关键环节，需与选矿工艺合理匹配，以使磨机处于***佳运行状态。衬板结构对磨机的产能、能耗、破碎质量等方面有直接影响，可以说磨机衬板的设计优劣对磨机运行起着至关重要的作用。合理的衬板设计能够降低物料对筒体不必要的冲击，磨矿效率达到***高值，能耗达到***低值。衬板的结构参数主要包括衬板高度、衬板面角及衬板间隙等。
(1)衬板高度 衬板高度增加可以提升磨球及物料的冲击力，有利于改善物料的破碎效果。田秋娟等人指出，在一定转速下，当衬板高度由 50 mm 提升至 200 mm 时，***高冲击能量由 53.45 J 增加到 80.91 J，与此同时，衬板受到的冲击、磨损加剧。衬板高度增加还会引起一些不利影响，一方面减小磨机筒体容积，进而减小介质有效工作空间，降低磨机效率;另一方面，大量介质与矿料处于筒体与衬板接触区域形成的研磨死角，降低了磨矿效率。提升条高度一般为磨料或介质半径的奇数倍，该倍数通常选取 1～3.当磨机转速一定时，衬板提升条高度增加，提升物料的能力增强，冲击能量也相应增加。
(2)衬板面角 衬板面角也是结构设计的重要参数之一。改变筒体提升条面角会改变磨球、物料在筒体内的运动轨迹，从而改变物料与磨球在磨机内的冲击点。付开进发现，在同一转速下，衬板面角增大，提升作用降低，处于抛落状态的物料和磨球数量减少，对物料的冲击破碎效果减弱;衬板面角变小，磨球和矿料对衬板的冲击与磨削作用增强。在磨机运行过程中，衬板面角随着磨损而增大，进而改变了介质运动效果。实践表明，当筒体衬板面角设计不当，衬板会断裂，尤其物料填充率低时这种现象更加明显。这是因为低的物料充填率对衬板的保护作用弱，因此衬板极易发生断裂。为获得较好的磨矿效果，衬板的***佳面角需随磨机转速而调整，转速较高时，衬板面角应适当增大。
(3)衬板间隙 衬板间隙指衬板提升条之间的间距，由衬板排列数量决定。合理的提升条间隙可***大限度增加物料的提升率，并避免夹料现象，从而提升磨机的性能。衬板排列数量增加，物料破碎效果提升。传统设计中，筒体衬板排列数量大约等于筒体直径 (英尺)的 2倍。减少部分提升条数量可增加提升条间料仓的体积，同时提升磨机每转动一圈需提升的料浆，磨矿效率大幅度提升。在提升条空间宽阔的条件下，一方面物料易滑动，物料整体提升能力下降，衬板磨损加剧;另一方面，物料抛落较为分散。为达到良好的磨矿效果，通常通过增加磨机转速来提升物料的提升能力，但磨球及物料对衬板的冲击也随之增强。加宽衬板，与筒体贴合不牢时开裂风险加剧。实践中，当衬板间隙增大时，衬板面角应适当增大，以避免磨球对加宽衬板的直接冲击。
刘建平等人利用离散元分析软件 (EDEM)对半自磨机衬板的提升条排数、提升条面角、提升条高度等结构参数进行了优化，显著提升了衬板的使用寿命。蔡兴健等人通过阶梯式优化衬板结构，使衬板整体磨损速率趋向一致，减少了衬板更换次数，磨矿细度提高到约 73%，同时有效降低了衬板采购成本。张浩对比了磁性衬板+溢流型排矿、锰钢梯形衬板+格子型强制排矿、锰钢梯形衬板+溢流型排矿等 3种衬板与排矿方式对再磨产品粒度的影响，结果表明，在其他磨矿条件相同时，不同衬板和排矿方式对再磨产品粒级组成有较大影响，影响后续选别作业。
4 衬板材料
多年来，国内外材料工作者对耐磨材料进行了较广的而深入的研究，随着国际学术及技术交流的增多、国际贸易的发展，我国耐磨材料及耐磨铸件业发展迅速。目前，我国已形成了高锰钢、高铬铸铁、合金钢、耐磨球铁和钢铁基复合材料等五大系列耐磨产品。
(1)高锰钢 高锰钢受剧烈冲击或接触应力时，表面迅速硬化，芯部韧性仍较好，因而高锰钢既抗磨损又抗冲击的特点在抗强冲击、大压力方面是其他耐磨材料难以企及的。目前高锰钢主要用于高冲击负荷下的大型破碎机产品，如大型破碎机定锥衬板、动锥衬板、颚板、锤头，挖掘机铲齿及铁道辙叉等。在高锰钢基础上发展了合金化改性高锰钢、中锰钢、低锰钢，用于低冲击负荷或低应力磨损工况;同时为改善厚大断面锰钢铸件的组织和性能，发展了超高锰钢。在矿山领域，高锰钢起初应用于小型球磨机衬板，随着衬板材料的发展，在大型球磨机及半自磨机衬板中开始逐渐使用合金化改性高锰钢、中锰钢。但因工况、磨机规格的不同，衬板使用寿命表现不一。目前高锰钢衬板的主要问题是在大型磨机中易断裂、延展变形，造成衬板拆卸困难，严重时将螺栓拉断。这是因为高锰钢屈服强度低，衬板在使用过程中受物料和磨球的不断冲击引起表面发生相变，造成局部体积增大和切向尺寸加大。
(2)高铬铸铁 高铬铸铁具有高耐磨性、高温强度及耐热性，被誉为继普通白口铸铁、镍硬铸铁之后的第3代抗磨材料。目前高铬铸铁已较广的应用于矿山磨球、渣浆泵过流件、破碎机颚板、立磨衬板以及搅拌磨螺旋衬板等。高铬铸铁虽然有高硬度及高耐磨性，但其韧性相对较差，仅 5～ 7 J/cm2.尤其不适用于强冲击载荷工况的半自磨机，故做为磨机衬板其应用受到一定***。为了充分发挥其高耐磨性的特点，目前已尝试在冲击较弱的磨粒磨损工况下使用高铬铸铁衬板。如自磨机进料端高铬铸铁衬板较其他材质衬板使用寿命提升近 1倍，φ5 m 球磨机筒体寿命可延长至 2年。鉴于高铬铸铁成本高、易开裂及性价比低的特点，今后需通过成分及工艺优化，逐步扩大其在磨机领域的应用。
(3)合金钢 合金钢分为低碳中合金、中碳低合金、中碳中合金和低碳高合金等几种，其化学成分中通常含有一定量 Cr 和 Mo，有的则含有较高的 Si 和Mn，热处理后其组织为回火马氏体或珠光体、碳化物。通过化学成分及热处理的合理搭配，合金钢可获得高的硬度及良好的韧性，目前在湿式磨机衬板应用上已取得了成效。低合金珠光体钢硬度 300～400HB，经得起反复冲击，同时因其尺寸稳定性好，拆卸方便，目前已在 φ6 m 以上的大型半自磨机衬板上得到了较广的应用。经验表明，在冲击磨料磨损工况下，单一追求高硬度而忽视材料的韧性将使衬板开裂率增大，同时其表面形成的微裂纹会加速基体磨损。因此合金钢的发展方向是高强度、高硬度和良好韧性的合理配合，以***提升其抗冲击和耐磨损能力。
(4)耐磨球铁 耐磨球铁现有马氏体耐磨球铁和贝氏体-马氏体耐磨球铁，这两种耐磨球铁通过液淬热处理获得高硬度及一定的韧性，目前已应用于球磨机衬板、磨球等耐磨件。等温淬火球铁具有高强度、一定韧性和良好的加工硬化特性，目前在国内外已广泛应用于磨机磨球、齿轮、凸轮轴、汽车牵引钩等易磨损件。
(5)钢铁基复合材料 钢铁基复合材料是近年国内外耐磨材料研究开发的热点之一。我国钢铁基耐磨复合材料经历了双液双金属材料、高铬铁-钢镶铸材料、高铬铁-钢机械组合材料及钢-橡胶复合材料等几个阶段。双液双金属复合材料已应用于破碎机锤头、破碎机衬板等耐磨件，且具有一定的冲击韧性和高硬度，产品寿命得到提升。目前，球磨机衬板也在逐步尝试采用双液双金属复合材料，但尚需长期工业化验证。钢-橡胶复合材料具有质量轻、耐磨等特点，有利于降低磨机运行功率和成本，目前已广泛应用于大型自磨/半自磨机出料端衬板，且获得了用户的肯定。
5 结语
综上所述，影响磨机衬板使用寿命的因素众多，因此，大型磨机衬板的寿命评估需要综合考虑磨机选型、运行工况、衬板结构和衬板材料等诸多因素。针对客户需求，只有选择各种因素相匹配的衬板，才能减少停机次数，从而有效提升磨机磨矿效率及产能。
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