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淺析大型磨機(jī)襯板使用壽命的影響因素

發(fā)布時(shí)間：

2025-01-15

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淺析大型磨機(jī)襯板使用壽命的影響因素

淺析大型磨機(jī)襯板使用壽命的影響因素

 

我國鑄造耐磨材料經(jīng)過數(shù)十年的快速發(fā)展,，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦山、冶金,、建材,、電力及化工等行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì),，國內(nèi)鋼鐵耐磨鑄件年消耗 350萬 t以上,，預(yù)計(jì)總需求量年增長 5%～ 10%。由此可以看出,，耐磨材料產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)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(chǎn)費(fèi)用，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,，礦用磨機(jī)尤其是自磨機(jī),、半自磨機(jī)的大型化已成為磨礦設(shè)備的主要發(fā)展趨勢。以美卓,、中信重工等為代表的裝備企業(yè)極大地推動(dòng)了磨礦設(shè)備的大型化發(fā)展,。自 2003年至今，中信重工已成功自主研發(fā)世界最大 φ12.2 m 自磨機(jī),，以及國內(nèi)最大 φ11 m半自磨機(jī)和 φ7.9 m 球磨機(jī),。

隨著磨機(jī)大型化和應(yīng)用領(lǐng)域的多樣化，其裝配的襯板結(jié)構(gòu)日益大型化,、復(fù)雜化,，襯板服役工況愈發(fā)惡劣,。磨機(jī)襯板主要用來保護(hù)磨機(jī)筒體，使其避免研磨體和物料的直接沖擊,。隨著市場對磨機(jī)襯板的需求量和期望值的持續(xù)提高,，大型磨機(jī)襯板的壽命問題變得愈加突出。筆者根據(jù)磨機(jī)襯板工業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀,，簡要介紹影響其使用壽命的相關(guān)因素,。

1 磨機(jī)的類型及規(guī)格

自磨機(jī)是一種兼有破碎和粉磨的磨礦設(shè)備，其工作原理是在一定的轉(zhuǎn)速下,，作為磨礦介質(zhì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生沖擊和磨剝作用,，達(dá)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(jī)襯板的失效形式多為磨損失效,。

半自磨機(jī)的工作原理與自磨機(jī)基本相同，區(qū)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(shí)出現(xiàn)的部分頑石,。磨球加強(qiáng)了物料及頑石的破碎效果，但同時(shí)磨球拋落過程中與襯板碰撞瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力,，對磨機(jī)襯板造成嚴(yán)重的沖擊,，尤其在高球荷和低充填率的情況下這種現(xiàn)象更為明顯。目前大型半自磨機(jī)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(gè)月,。

球磨機(jī)與半自磨機(jī)的破磨物料方式基本一致。目前磨礦工藝流程中,，球磨作業(yè)一般設(shè)置在半自磨作業(yè)之后,，進(jìn)料粒度更細(xì)，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(jī)襯板使用壽命一般為 10～ 12個(gè)月,。

磨機(jī)規(guī)格對襯板壽命也有影響。隨著磨機(jī)規(guī)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(qiáng)，處理物料的能力增強(qiáng)，襯板的磨損加劇,，尤其是半自磨機(jī)筒體襯板斷裂磨損相當(dāng)嚴(yán)重,。文獻(xiàn)[5]指出，采用 EDEM 仿真模擬技術(shù)研究 φ10.37 m 半自磨機(jī)發(fā)現(xiàn),，半自磨機(jī)每轉(zhuǎn)1圈,，每塊襯板要承受大于 6×104 N 的沖擊力 449次，最大沖擊力達(dá) 1.31×106 N,，襯板所受平均沖擊能量約 4 986 J,，單個(gè)介質(zhì)對襯板的最大沖擊能量達(dá) 820 J。由此可見,，磨機(jī)的規(guī)格越大,，襯板承受的沖擊力越強(qiáng)，斷裂風(fēng)險(xiǎn)越高,。

2 磨機(jī)運(yùn)行工況

當(dāng)磨機(jī)處于試運(yùn)行期間,，磨礦工藝參數(shù)處于摸索階段，給礦量不穩(wěn)定,，磨球的加入時(shí)機(jī),、頻次及加入量也不固定；此外,，因停機(jī)檢修造成磨機(jī)反復(fù)啟動(dòng),，筒體內(nèi)物料少,，磨球數(shù)量突然增加,，襯板瞬間遭受巨大沖擊，斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大,。實(shí)踐表明,，在磨機(jī)試運(yùn)行期間，襯板斷裂嚴(yán)重,，而磨損相對較輕,，因此通常建議應(yīng)優(yōu)先保證磨機(jī)內(nèi)綜合充填率，縮小磨球的加入規(guī)格,、加入量及加入頻次,，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整磨機(jī)轉(zhuǎn)速，為磨機(jī)正常運(yùn)行積累數(shù)據(jù),，為襯板優(yōu)化提供可靠的方向,。

當(dāng)磨機(jī)處于正常運(yùn)行期間，實(shí)際工況條件主要包括磨機(jī)轉(zhuǎn)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(gè)方面。

2.1 磨機(jī)轉(zhuǎn)速

磨機(jī)轉(zhuǎn)速對物料的破碎研磨效果影響很大,。磨機(jī)轉(zhuǎn)速增加,，磨球及物料整體的旋轉(zhuǎn)高度上升，拋落點(diǎn)增高且拋落距離增大,，磨球的沖擊破碎動(dòng)量增強(qiáng),。隨著循環(huán)沖擊次數(shù)的增加，襯板的沖擊磨損愈加嚴(yán)重,。雖然提高磨機(jī)轉(zhuǎn)速可以快速提高磨機(jī)的處理能力,，但同時(shí)常造成襯板斷裂而過早失效，有時(shí)還伴有磨機(jī)“吐球”及漏漿現(xiàn)象,，增加了磨機(jī)檢修及襯板更換頻次,，影響磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率。生產(chǎn)中需要根據(jù)襯板結(jié)構(gòu)及磨球充填率,，選擇合適的磨機(jī)轉(zhuǎn)速,。

2.2 物料充填率

當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速及磨球充填率穩(wěn)定時(shí)，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(shí)掌握物料充填率是磨機(jī)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)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(jī)工作不穩(wěn)定,，極易產(chǎn)生“漲肚”現(xiàn)象,；物料充填率過低，筒體內(nèi)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(fā)生漏漿現(xiàn)象,，影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),。實(shí)踐表明，半自磨機(jī)綜合充填率以 25%～30% 為宜,；物料質(zhì)量和塊度配比基本不變,，一般大小塊各占 50%。只有保持穩(wěn)定的物料填充率,，磨機(jī)才能發(fā)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(chǎn)成本的有效途徑，是提高襯板使用壽命的關(guān)鍵,。磨球與襯板的耐磨性是相對的關(guān)系,，磨機(jī)內(nèi)磨球、襯板與物料組成一個(gè)磨料磨損系統(tǒng),，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 磨球硬度提高，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(shí)，磨球的抗磨損能力降低,，磨球消耗過大,，生產(chǎn)成本提高。

(2)磨球尺寸 磨球大小是決定磨礦效果的一個(gè)關(guān)鍵因素,。實(shí)踐表明,，磨球大小和給料粒度之間存在一定的關(guān)系。在物料較硬,、粒度較大時(shí),，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?qū)σr板的沖擊越大,，襯板使用壽命越短。實(shí)際磨礦過程中單一尺寸的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)不能滿足磨礦效果,，只有將不同尺寸的介質(zhì)混合匹配,，才能提高磨礦效率。

(3)磨球充填率 磨球充填率也是影響磨機(jī)粉磨效率的一個(gè)重要因素,。在筒體容積一定的條件下，提高磨球充填率可增加粉碎物料的有效介質(zhì),，磨機(jī)處理能力增加,；但磨球充填率過高，沖擊次數(shù)過多,，研磨面積過大,，磨球和襯板磨損嚴(yán)重，尤其在半自磨機(jī)物料供給不足時(shí),，襯板會(huì)斷裂甚至掉塊,，危及筒體安全。通常磨球充填率的選擇應(yīng)遵循以下規(guī)律：當(dāng)物料粒度、硬度較大時(shí),，可適當(dāng)提高磨球充填率,；磨機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，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(zhì)存在一定差異,，磨礦效率往往存在很大波動(dòng)，尤其是礦石硬度變化嚴(yán)重影響磨機(jī)的穩(wěn)定性,。

礦石的碎磨特性參數(shù),，諸如邦德球磨功指數(shù)、礦石的磨蝕指數(shù)及 JK Tech 落重試驗(yàn)參數(shù) (ta,、DWi),、礦石的可磨度或可磨度系數(shù)等需通過試驗(yàn)獲取。目前常參照礦石 A×b 值和邦德球磨功指數(shù) 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(shù) 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(jī)襯板及磨球產(chǎn)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(qiáng),，襯板斷裂風(fēng)險(xiǎn)大,，磨損嚴(yán)重。如國內(nèi)某鉬礦,，礦石 A×b＜30,，邦德球磨功指數(shù)大于 15，屬于極硬礦,，該礦磨機(jī)采用 φ150 mm 磨球時(shí),，運(yùn)行初期和中期襯板均發(fā)生大量斷裂,，需要頻繁更換襯板，嚴(yán)重影響磨機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率,。因此襯板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材需同時(shí)考慮礦石屬性,。

3 襯板結(jié)構(gòu)

襯板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響磨機(jī)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需與選礦工藝合理匹配,，以使磨機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài),。襯板結(jié)構(gòu)對磨機(jī)的產(chǎn)能、能耗,、破碎質(zhì)量等方面有直接影響,，可以說磨機(jī)襯板的設(shè)計(jì)優(yōu)劣對磨機(jī)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。合理的襯板設(shè)計(jì)能夠降低物料對筒體不必要的沖擊,，磨礦效率達(dá)到最高值,，能耗達(dá)到最低值。襯板的結(jié)構(gòu)參數(shù)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高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(zhuǎn)速下，當(dāng)襯板高度由 50 mm 提高至 200 mm 時(shí),，最高沖擊能量由 53.45 J 增加到 80.91 J,，與此同時(shí)，襯板受到的沖擊,、磨損加劇,。襯板高度增加還會(huì)引起一些不利影響，一方面減小磨機(jī)筒體容積,，進(jìn)而減小介質(zhì)有效工作空間,，降低磨機(jī)效率；另一方面,，大量介質(zhì)與礦料處于筒體與襯板接觸區(qū)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(zhì)半徑的奇數(shù)倍,，該倍數(shù)通常選取 1～3,。當(dāng)磨機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，襯板提升條高度增加,，提升物料的能力增強(qiáng)，沖擊能量也相應(yīng)增加,。

(2)襯板面角 襯板面角也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一,。改變筒體提升條面角會(huì)改變磨球,、物料在筒體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而改變物料與磨球在磨機(jī)內(nèi)的沖擊點(diǎn),。付開進(jìn)發(fā)現(xiàn),，在同一轉(zhuǎn)速下，襯板面角增大,，提升作用降低,，處于拋落狀態(tài)的物料和磨球數(shù)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(qiáng)。在磨機(jī)運(yùn)行過程中,，襯板面角隨著磨損而增大,，進(jìn)而改變了介質(zhì)運(yùn)動(dòng)效果。實(shí)踐表明,，當(dāng)筒體襯板面角設(shè)計(jì)不當(dāng),，襯板會(huì)斷裂，尤其物料填充率低時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯,。這是因?yàn)榈偷奈锪铣涮盥蕦σr板的保護(hù)作用弱,，因此襯板極易發(fā)生斷裂。為獲得較好的磨礦效果,，襯板的最佳面角需隨磨機(jī)轉(zhuǎn)速而調(diào)整,，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，襯板面角應(yīng)適當(dāng)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(shù)量決定。合理的提升條間隙可最大限度增加物料的提升率,，并避免夾料現(xiàn)象,，從而提高磨機(jī)的性能。襯板排列數(shù)量增加,，物料破碎效果提高,。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，筒體襯板排列數(shù)量大約等于筒體直徑 (英尺)的 2倍,。減少部分提升條數(shù)量可增加提升條間料倉的體積,，同時(shí)提高磨機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需提升的料漿，磨礦效率大幅度提高,。在提升條空間寬闊的條件下,，一方面物料易滑動(dòng)，物料整體提升能力下降,，襯板磨損加??；另一方面，物料拋落較為分散,。為達(dá)到良好的磨礦效果,，通常通過增加磨機(jī)轉(zhuǎn)速來提高物料的提升能力，但磨球及物料對襯板的沖擊也隨之增強(qiáng),。加寬襯板,，與筒體貼合不牢時(shí)開裂風(fēng)險(xiǎn)加劇。實(shí)踐中,，當(dāng)襯板間隙增大時(shí),，襯板面角應(yīng)適當(dāng)增大，以避免磨球?qū)訉捯r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(jī)襯板的提升條排數(shù),、提升條面角、提升條高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,，顯著提高了襯板的使用壽命,。蔡興健等人通過階梯式優(yōu)化襯板結(jié)構(gòu)，使襯板整體磨損速率趨向一致,，減少了襯板更換次數(shù),，磨礦細(xì)度提高到約 73%，同時(shí)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(qiáng)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(chǎn)品粒度的影響,，結(jié)果表明,，在其他磨礦條件相同時(shí)，不同襯板和排礦方式對再磨產(chǎn)品粒級組成有較大影響,，影響后續(xù)選別作業(yè),。

4 襯板材料

多年來，國內(nèi)外材料工作者對耐磨材料進(jìn)行了廣泛而深入的研究,，隨著國際學(xué)術(shù)及技術(shù)交流的增多,、國際貿(mào)易的發(fā)展，我國耐磨材料及耐磨鑄件業(yè)發(fā)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(fù)合材料等五大系列耐磨產(chǎn)品。

(1)高錳鋼 高錳鋼受劇烈沖擊或接觸應(yīng)力時(shí)，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(diǎn)在抗強(qiáng)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(fù)荷下的大型破碎機(jī)產(chǎn)品，如大型破碎機(jī)定錐襯板,、動(dòng)錐襯板,、顎板、錘頭,，挖掘機(jī)鏟齒及鐵道轍叉等,。在高錳鋼基礎(chǔ)上發(fā)展了合金化改性高錳鋼、中錳鋼,、低錳鋼,，用于低沖擊負(fù)荷或低應(yīng)力磨損工況；同時(shí)為改善厚大斷面錳鋼鑄件的組織和性能,，發(fā)展了超高錳鋼,。在礦山領(lǐng)域，高錳鋼起初應(yīng)用于小型球磨機(jī)襯板,，隨著襯板材料的發(fā)展,，在大型球磨機(jī)及半自磨機(jī)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(jī)規(guī)格的不同，襯板使用壽命表現(xiàn)不一,。目前高錳鋼襯板的主要問題是在大型磨機(jī)中易斷裂,、延展變形，造成襯板拆卸困難,，嚴(yán)重時(shí)將螺栓拉斷,。這是因?yàn)楦咤i鋼屈服強(qiáng)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(fā)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(qiáng)度及耐熱性,，被譽(yù)為繼普通白口鑄鐵,、鎳硬鑄鐵之后的第3代抗磨材料。目前高鉻鑄鐵已廣泛應(yīng)用于礦山磨球,、渣漿泵過流件,、破碎機(jī)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(qiáng)沖擊載荷工況的半自磨機(jī),，故做為磨機(jī)襯板其應(yīng)用受到一定限制,。為了充分發(fā)揮其高耐磨性的特點(diǎn)，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(jī)進(jìn)料端高鉻鑄鐵襯板較其他材質(zhì)襯板使用壽命提高近 1倍,，φ5 m 球磨機(jī)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(jià)比低的特點(diǎn),，今后需通過成分及工藝優(yōu)化，逐步擴(kuò)大其在磨機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)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(xué)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(jī)襯板應(yīng)用上已取得了成效,。低合金珠光體鋼硬度 300～400HB，經(jīng)得起反復(fù)沖擊,，同時(shí)因其尺寸穩(wěn)定性好,，拆卸方便，目前已在 φ6 m 以上的大型半自磨機(jī)襯板上得到了廣泛應(yīng)用,。經(jīng)驗(yàn)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(shí)其表面形成的微裂紋會(huì)加速基體磨損,。因此合金鋼的發(fā)展方向是高強(qiáng)度、高硬度和良好韌性的合理配合,，以全面提高其抗沖擊和耐磨損能力,。

(4)耐磨球鐵 耐磨球鐵現(xiàn)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(yīng)用于球磨機(jī)襯板,、磨球等耐磨件。等溫淬火球鐵具有高強(qiáng)度、一定韌性和良好的加工硬化特性,，目前在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于磨機(jī)磨球,、齒輪、凸輪軸,、汽車牽引鉤等易磨損件,。

(5)鋼鐵基復(fù)合材料 鋼鐵基復(fù)合材料是近年國內(nèi)外耐磨材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)之一。我國鋼鐵基耐磨復(fù)合材料經(jīng)歷了雙液雙金屬材料,、高鉻鐵-鋼鑲鑄材料,、高鉻鐵-鋼機(jī)械組合材料及鋼-橡膠復(fù)合材料等幾個(gè)階段。雙液雙金屬復(fù)合材料已應(yīng)用于破碎機(jī)錘頭,、破碎機(jī)襯板等耐磨件，且具有一定的沖擊韌性和高硬度,，產(chǎn)品壽命得到提高,。目前，球磨機(jī)襯板也在逐步嘗試采用雙液雙金屬復(fù)合材料,，但尚需長期工業(yè)化驗(yàn)證,。鋼-橡膠復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、耐磨等特點(diǎn),，有利于降低磨機(jī)運(yùn)行功率和成本,，目前已廣泛應(yīng)用于大型自磨/半自磨機(jī)出料端襯板，且獲得了用戶的肯定,。

 

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