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大型半自磨機筒體襯板結構優化及應用
發布時間：
2025-02-28
來源：
根據國內某銅礦大型半自磨機實際運行狀況，針對磨機運行期間筒體襯板開裂、磨礦效率低及運營成本較高等問題，基于 Milltraj 半自磨機介質拋落軌跡計算技術，結合實際設計經驗，對半自磨機筒體襯板結構進行了改進和優化。生產應用結果表明，磨礦處理量大幅提升，綜合運營成本顯著降低，取得了較好的應用效果。
導讀
根據國內某銅礦大型半自磨機實際運行狀況，針對磨機運行期間筒體襯板開裂、磨礦效率低及運營成本較高等問題，基于 Milltraj 半自磨機介質拋落軌跡計算技術，結合實際設計經驗，對半自磨機筒體襯板結構進行了改進和優化。生產應用結果表明，磨礦處理量大幅提升，綜合運營成本顯著降低，取得了較好的應用效果。
在眾多磨礦設備中，半自磨機因其磨礦流程短、生產效率高、成本低等優勢在各類大型礦山中廣泛應用。隨著磨礦工藝需求增加、研發設計能力提升及重型裝備制造業的發展，半自磨機大型化已成為一種趨勢。
半自磨機是由進料端蓋、筒體部以及出料端蓋等零件組成的回轉體。在設備運行過程中，磨機襯板起到一定的保護作用，防止研磨介質和物料的沖擊對筒體的破壞性磨損；同時使物料和介質在拋落及瀉落時產生研磨效果，達到粉磨礦石的目的。磨機襯板設計是決定磨機穩定運行的關鍵因素，其結構合理與否對磨機性能、襯板使用壽命及磨礦效果產生重要影響。隨著磨機規格增大和自動化程度的提高，襯板磨損問題已變得越來越突出。襯板斷裂、耐磨性差導致襯板更換頻繁，使磨礦成本提高、設備運轉率降低，最終對磨礦效率產生重大影響。
筆者結合國內某大型銅礦 φ11.0 m×5.4 m 半自磨機筒體襯板的實際應用狀況，對襯板結構進行改進和優化，以提高磨礦效率，降低綜合運營成本。
1 磨機運行工況
φ11.0 m×5.4 m 半自磨機是中信重工獨立研發的雙驅變頻磨機，其主要技術參數如表 1 所列。
表1 半自磨機主要技術參數
碎磨工藝采用目前國內外使用較為廣泛的 SABC流程，即一段破碎+半自磨機+球磨機+頑石破碎機。該半自磨機為開路系統，經振動篩分級后，篩上頑石不再返回半自磨機，而是直接進入堆浸工藝，篩下礦漿經旋流器分級與球磨機構成閉路系統。具體工藝流程如圖 1 所示。
圖1 SABC 破磨工藝流程
礦石性質試驗對設備選型及最終磨礦工藝流程的確定有直接影響。目前礦石性質試驗主要有澳大利亞JK Tech 公司的 DWT 試驗、Bond 系列功指數試驗、高壓輥磨試驗及立式攪拌磨試驗等。澳大利亞 JK Tech 公司 DWT 試驗是對礦石的抗沖擊破碎性能進行評估，表征參數為 A×b：A×b 數值越小，礦石越難破碎；反之，礦石易破碎。Bond 理論中 BWi 為球磨功指數，反映了礦石研磨性能的難易程度：BWi 數值越大，礦石越難研磨；反之，礦石易研磨。
通過對該礦礦石屬性分析可知，礦石主要為花崗巖型硫化銅礦石。對同規格半自磨機、不同類型礦石屬性進行對比，結果如表 2 所列。
表2 礦石性質
由表 2 可以看出，與其他 2 種不同種類礦石相比，該硫化銅礦石的破碎、研磨難易程度屬于中等水平。
2 原襯板結構
原筒體襯板的結構及排列方式如圖 2、3 所示，筒體襯板共 48 排，螺栓孔均位于筒體提升條上，按照高-高形式布置。筒體襯板提升條為對稱型，襯板總高 290 mm，提升條面角為 56°，底板厚度 80 mm，底板兩側設置輔助提升條。
圖2 原筒體襯板結構
圖3 筒體襯板排列方式
該半自磨機于 2016 年 10 月投入試運行，在試運行約 2 個月后，筒體襯板出現不同程度的開裂現象，整體磨損量較小。開裂部位位于提升條及底板處，以底板開裂為主，開裂形式大多為縱向貫穿開裂，嚴重區域已掉塊，如圖 4 所示。分析損壞的原因主要是磨礦工藝流程處于前期摸索階段，整個采礦、粉磨系統給礦量不穩定，難以滿足設計日產量要求；同時磨球的加入時機、頻次及加入量也不固定；加之因其他設備檢修的影響，磨機整體運行呈現非連續狀態。在此工況條件下，磨機內綜合填充率低、物料層薄，運行瞬間磨球量大，使得襯板遭受巨大沖擊，斷裂風險加劇。
圖4 筒體襯板開裂
隨著碎磨工藝日漸穩定，原結構筒體襯板又陸續使用 2 套。相較于試運行期間，這 2 套筒體襯板的斷裂數量有所降低，但依然存在排料端筒體襯板開裂現象。在整個運行周期中，原結構筒體襯板的磨礦效果不理想，每套襯板平均磨礦量為 230 萬 t，襯板整體耐磨性有待提高。
3 襯板結構改進及使用效果
3.1 結構改進
首先對原筒體襯板結構進行模擬計算，結合磨機的規格和轉速、鋼球直徑、磨機綜合填充率及襯板結構等參數，采用 MillTraj 專業模擬軟件對半自磨機磨球運動軌跡進行模擬，結果如圖 5 所示。
圖5 原襯板結構磨球拋落軌跡
由圖 5 可以看出，筒體內物料分布于第 4 象限30°～38°位置，而鋼球的拋落點卻位于第 4 象限靠近40°位置。顯然，在磨機運轉過程中，磨球拋落至物料趾部外，對物料的破磨作用減弱，反而直接砸向襯板，對襯板造成了巨大的、頻繁的沖擊，從而降低了磨礦效率，造成襯板過早損壞。因此，必須對筒體襯板進行結構改進，以調整磨球、物料的拋落軌跡，改善鋼球直接對襯板的沖擊力。
在半自磨機規格、磨機轉速及磨球規格一定的條件下，影響磨機物料及鋼球運動軌跡和磨礦效率的因素包括：筒體襯板間隙、提升條高度及提升面角。因此，對半自磨筒體襯板進行改進，采取的主要措施如下：
(1)增加襯板間隙，提高磨機性能 襯板間隙是由襯板排列數量決定的，影響物料的提升率。合理的提升條間隙可最大限度地增加物料提升率，避免夾料現象，提高磨機性能。部分提升條數量減少可以增加提升條間料倉體積，同時也可提高磨機每轉動一圈所提升的料漿，提升率增加將大幅提高磨礦效率。筒體襯板原排數為 48 排，現將襯板排數由 48排減少至 32 排，同時將筒體部二段分布改為三段分布。
(2)增加提升條的高度 襯板提升條的作用主要是提升物料及磨球，改變其運動軌跡和運動狀態。提升條高度增加，物料及磨球被提升的高度也隨之增加，從而增強了其拋落時的破磨能力，利于磨礦效率的提升。筒體襯板原高度 290 mm，在保持底板厚度80 mm 不變的情況下，將高度提升至 380 mm，總高增加 90 mm。
(3)改變筒體襯板面角 筒體襯板面角是指襯板提升條截面夾角，筒體襯板面角也是決定物料及磨球運行軌跡的關鍵因素之一。筒體襯板的面角越大，磨球被襯板提升的高度就越低，落點就越靠近中心，襯板被撞擊的概率就會降低；相反，筒體襯板的面角越小，磨球被襯板提升的高度就越高，落點就越遠離中心，襯板被撞擊的概率就增大。因此，考慮通過增大筒體襯板面角來降低磨球被提升的高度，以減少磨球對襯板的沖擊力。原筒體襯板提升條面角為56°，現將筒體襯板面角增大至 60°。
3.2 使用效果
改進后通過模擬軟件對磨機磨球運動軌跡進行模擬，結果如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，磨球拋落位置位于第 4 象限的 38°左右，而物料的邊緣位置在第 4 象限 38°左右，顯然，磨球的拋落點即為物料趾部，此時不但不會撞擊襯板，而且磨礦效率將達到最高。由此可以推斷，襯板的第一次結構改進是比較合理的。
圖6 襯板結構改進后磨球拋落軌
圖7、8 分別為改進后筒體襯板結構及現場安裝情況。筒體襯板結構改進后，首套襯板于 2017 年7 月 25 日安裝運行，共連續使用 2 套，每套襯板平均處理礦量達到 326 萬 t，比原結構襯板磨礦量提升41.74%，改進效果明顯。但同時該筒體襯板也存在不足之處：一是個別襯板質量較重(達 2.43 t)，基本達到現場機械手的限制質量(2.5 t)，對現場安裝造成一定的安全隱患，且增加了襯板安裝更換時間；二是筒體襯板整體質量較原結構襯板增加 37.86 t，增重22.6%，磨機負載加重，實際運行功率增加，磨礦能耗增加，大幅度提高了運行成本。
圖7 改進后筒體襯板結構
圖8 改進后筒體襯板安裝
4 襯板結構優化及使用效果
4.1 結構優化
圖9、10 分別為改進后失效筒體襯板及磨損曲線示意。分析現場失效襯板剩余厚度以及磨損曲線可知，磨損嚴重部位主要位于出料端筒體襯板及筒體提升條提料側，而進料端筒體襯板以及非提料側磨損量較少，剩余厚度相對較多。
圖9 結構改進后失效襯板
圖10 結構改進后失效襯板磨損曲線
在基本保證磨礦效率的前提下，為達到進一步減輕筒體襯板質量、降低采購和運行成本、提高襯板更換效率及提升襯板綜合性價比的目的，必須對筒體襯板進行再次結構優化。
本次結構優化主要對不同部位進行差異化設計。如圖 11 所示，在襯板高-高排列形式下，根據實踐經驗將進料端筒體襯板提升條高度適當降低，由 380 mm降低至 350 mm，出料端筒體襯板高度保持 380 mm 不變；在磨機單向旋轉條件下，筒體襯板維持 60°面角不變，通過適當減小非提升側角度，在減輕襯板質量的同時，提高襯板的有效金屬利用率。
圖11 筒體襯板結構優化
4.2 使用效果
圖12 所示為結構優化后磨球拋落軌跡。結果顯示，磨球的拋落點位于物料趾部，并沒有直接空砸襯板，襯板結構優化可行。
圖12 襯板結構優化后磨球拋落軌跡
圖13 顯示了襯板結構變化與礦石處理量之間的關系。優化后首套筒體襯板于 2018 年 4 月 5 日開始裝機運行，連續運行共計 3 套，相較于第一次結構改進，筒體襯板質量減少 13 t，降低 6% 左右，但磨礦效率仍維持在較高水平，平均處理礦量達到 310 萬 t。由此可以斷定，第二次結構優化是成功的，整體性價比較高，獲得了客戶的認可。
圖13 襯板結構變化與磨礦量之間變化關系
5 結語
根據大型半自磨機實際運行工況，對半自磨機筒體襯板結構進行了持續不斷的改進，通過分析筒體襯板排數、提升條高度以及提升條面角等對磨礦效率有影響的因素，結合實際設計經驗，獲得了較佳的結構優化方案。襯板結構改進和優化后，磨礦效率大幅提升，綜合運行成本降低，使用效果良好。面對半自磨機大型化發展趨勢，半自磨機筒體襯板還存在較大的優化空間，需要借助計算機模擬技術，緊密結合選礦工藝，在磨機實際運行基礎上有待于繼續進行研究。