磨機(jī)襯板是磨機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行中的主要易損部件，由于介質(zhì)和物料對(duì)襯板的沖擊、磨剝和腐蝕等作用，使磨機(jī)襯板產(chǎn)生了沖擊磨損、剪切磨損、疲勞磨損、磨料磨損和腐蝕磨損等[1]。國內(nèi)外的球磨機(jī)所使用的襯板從材質(zhì)上區(qū)分可以劃分為3大類型：金屬型襯板、非金屬型襯板和復(fù)合型襯板[2]。應(yīng)用最早而且到目前為止應(yīng)用最廣泛的是金屬型襯板，主要材質(zhì)為高錳鋼，一般情況下，在一段球磨機(jī)中應(yīng)用的壽命為6～10個(gè)月，在二段磨機(jī)上使用壽命為10～18個(gè)月，存在的問題主要是更換周期較短、降低磨機(jī)作業(yè)率、生產(chǎn)成本高[3]。非金屬襯板主要以橡膠和聚氨酯材質(zhì)為主，材質(zhì)自身的特性導(dǎo)致抵抗沖擊和剪切作用的能力比金屬襯板差，對(duì)使用的條件要求比較嚴(yán)格，因而應(yīng)用的范圍受到限制，主要用于球磨機(jī)端部和非金屬礦用磨機(jī)。復(fù)合型襯板的出現(xiàn)是耐磨襯板發(fā)展的重大突破，包含了橡膠復(fù)合磁性襯板和金屬復(fù)合磁性襯板，其中橡膠磁性襯板以瑞典斯克嘉(SKEGA)為代表，而金屬復(fù)合磁性襯板則以中國為代表，金屬復(fù)合磁性襯板在我國礦山中獲得廣泛應(yīng)用[4]。
目前磁性襯板的卓越性能在國內(nèi)外已經(jīng)得到公認(rèn)，使用壽命可以達(dá)到錳鋼襯板的4～8倍甚至更長(zhǎng)，比如HM型襯板已經(jīng)有使用壽命超過8年仍然在穩(wěn)定運(yùn)行的使用實(shí)例，大大降低了襯板消耗和運(yùn)行成本，提高磨機(jī)作業(yè)率;此外，磁性襯板與高錳鋼襯板相比還有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：增大磨機(jī)有效容積，提高處理能力;減輕磨機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，降低運(yùn)轉(zhuǎn)功率，節(jié)約電耗;安裝維護(hù)方便，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度;降低噪音，筒體不漏礦漿，提升工作環(huán)境質(zhì)量[5]。
1、HM磁性襯板的發(fā)展歷程
北京礦冶研究總院于1987年開始磁性襯板的研究，是國內(nèi)最早從事磁性襯板研究的機(jī)構(gòu);橡膠-金屬磁性襯板于1992年通過了中國有色金屬工業(yè)總公司組織的技術(shù)鑒定[4];在1997年，北京礦冶研究總院與包鋼(集團(tuán))公司選礦廠合作，在Φ3.6 m×6.0m溢流型球磨機(jī)內(nèi)應(yīng)用了全套HM型金屬磁性襯板，應(yīng)用效果良好，并通過了中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)的技術(shù)鑒定;在2002年，HM型磁性襯板獲得北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，并被評(píng)定為2002年國家重點(diǎn)推廣新產(chǎn)品;此后，對(duì)襯板材料和磁系結(jié)構(gòu)又進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)材料性能進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)，2004年研制成功了性能更優(yōu)越的第二代HM型磁性襯板。到目前為止HM型磁性襯板已經(jīng)在包鋼、鞍鋼、中鋼等數(shù)十家大中型鐵磁性礦山應(yīng)用，并于近年來將應(yīng)用范圍擴(kuò)展到弱磁和非磁性礦物領(lǐng)域，經(jīng)過幾年的跟蹤HM磁性襯板在弱磁及非磁性礦物磨機(jī)中應(yīng)用效果良好，達(dá)到普通錳鋼襯板使用壽命的3倍以上。此外，HM型磁性襯板在直徑5m以上的大型球磨機(jī)中也取得了良好應(yīng)用效果，性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
2、HM磁性襯板的機(jī)理研究
決定磁性襯板性能的關(guān)鍵因素主要有兩個(gè)：一是磁系的設(shè)計(jì)是否合理，這要求對(duì)構(gòu)成磁系的材料特性、磁系結(jié)構(gòu)及其表現(xiàn)的磁場(chǎng)特性等方面進(jìn)行深入研究。二是能否形成堅(jiān)固、穩(wěn)定、有效的保護(hù)層，磁性襯板的安裝過程及使用初期的操作要求對(duì)保護(hù)層的形成至關(guān)重要。
2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
HM金屬磁性襯板由金屬殼體、磁性材料、彈性膠層等3部分組成，如圖1所示，彈性膠填充在金屬殼體內(nèi)表面和磁性材料之間，將兩者牢牢粘接在一起。
磁性材料的一面與磨機(jī)筒體接觸，靠磁力緊緊吸附在磨機(jī)筒體上，磁性材料的性能是磁性襯板可靠性的基礎(chǔ)，磁性襯板根據(jù)使用條件的要求選用硬磁材料，剩磁強(qiáng)度、矯頑力、最大磁能積以及穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性都是磁性材料選取的參數(shù)。
金屬殼體的外表面是襯板的工作面，吸附小球、碎球和磁性物質(zhì)形成保護(hù)層，保護(hù)層按磁路形成正弦波峰，由從內(nèi)向外逐漸變粗的磁性物質(zhì)構(gòu)成，靠近襯板表面為內(nèi)層，是細(xì)粒物料組成的均勻床層，中間是小片狀和粗粒狀物料，外層是粗粒的磁性物質(zhì)和小球。在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，保護(hù)層始終處于平衡狀態(tài)，內(nèi)部的組成成分被磁化，使其更加牢固，一定厚度的保護(hù)層磨損后再繼續(xù)生成，周而復(fù)始地保護(hù)磁性襯板表面，從而達(dá)到減輕襯板磨損，延長(zhǎng)壽命的目的。
圖1 磁性襯板工作原理示意圖
Figure 1 Sketch of magnetic lining working principle
2.2 磁性襯板作用機(jī)理
磁性襯板表面的保護(hù)層依靠磁性材料產(chǎn)生的磁力吸附形成，磁力的大小決定了保護(hù)層的厚度，根據(jù)起保護(hù)作用所需要的保護(hù)層體積，以及形成保護(hù)層的物質(zhì)性質(zhì)，由(1)式可確定保護(hù)層內(nèi)物質(zhì)所需的磁力。
(1)
式中：FC為磁力;a為磁場(chǎng)強(qiáng)度修正系數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)率;k0為物體磁化率;H0gradH0為磁場(chǎng)力，A2/m3;H0為外磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m;gradH0為磁場(chǎng)梯度，A/m2;V為保護(hù)層體積，m3。
式中：x0為保護(hù)層中顆粒的比磁化率;δ為顆粒密度，kg/m3，單位質(zhì)量的保護(hù)層所需磁力fc為：
(2)
由(2)式可以看出，單位質(zhì)量顆粒受到的磁力除了受自身的比磁化率影響之外，主要與磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁場(chǎng)梯度相關(guān)，磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度的值越大磁性襯板對(duì)特定顆粒的吸附力也越強(qiáng)。
研究表明，磁性襯板表面保護(hù)層的形成與磁性材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度，磁系結(jié)構(gòu)的極數(shù)、極性、極距、極隙和磁系寬度等參數(shù)密切相關(guān)。磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，吸附層的厚度越厚，但保護(hù)層的厚度并不是越厚越好，過厚的保護(hù)層一方面會(huì)影響磨機(jī)的有效容積，另一方面也會(huì)加重磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷，不利于生產(chǎn)運(yùn)行，保護(hù)層的厚度在20-30mm范圍內(nèi)最佳。
2.3磁場(chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)研究
磁性材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度及梯度受到磁性材料自身外形尺寸的影響，優(yōu)化磁性材料厚度和磁系布置可以使其兼有表面磁場(chǎng)強(qiáng)度高和磁場(chǎng)梯度大的優(yōu)點(diǎn)。
通過制作出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工具，用拉力儀器測(cè)出磁性材料表面磁力與磁性體厚度的關(guān)系，如圖2所示，保護(hù)層受到的吸附力隨著磁性材料的厚度增加而逐漸增加，但增加的幅度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律是相近似的;在20~30mm的范圍內(nèi)，保護(hù)層受到的吸引力比較接近，比厚度為15mm的保護(hù)層受到的吸引力有明顯的增加;而當(dāng)保護(hù)層厚度增大到35mm時(shí)，其受到的吸引力與30mm厚度時(shí)相比變化很小，尤其在磁性材料厚度較小時(shí)，吸引力是相同的，這說明HM型磁性襯板所產(chǎn)生的吸附作用對(duì)20~30mm厚度的磁性物質(zhì)的吸附性是最好的。
圖2磁性材料表面磁場(chǎng)力與磁性體厚度關(guān)系圖
Figure 2 Graphs of magnetic force and the thickness of the magnetic body
2.4磁場(chǎng)特性的數(shù)值模擬
通過先進(jìn)的數(shù)值模擬軟件對(duì)磁性襯板的磁場(chǎng)特性進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化其磁體排布結(jié)構(gòu)，在保證磁場(chǎng)強(qiáng)度的前提下，降低磁場(chǎng)變化率，提高磁場(chǎng)均勻性。
建模時(shí)設(shè)定沿磨機(jī)筒體切向?yàn)閄方向，徑向?yàn)閅方向，對(duì)磁性襯板模型建模并劃分網(wǎng)格，然后進(jìn)行運(yùn)算，模擬結(jié)果如圖3所示。
圖3磁場(chǎng)模擬分布圖
Figure3 Simulation diagram of the magnetic field
通過圖3可以清楚的看到磁性襯板表面的磁通量密度值，磁性襯板表面磁極的中間部位磁通密度最高，而磁體中心位置的磁通密度最低。磁性襯板的表面磁通密度呈現(xiàn)波峰與波谷的交替分布規(guī)律，在沿著磁性襯板表面垂直高度方向，磁通密度衰減趨勢(shì)明顯，具有表面磁場(chǎng)強(qiáng)度大、垂直高度磁場(chǎng)梯度高的特點(diǎn)。
襯板安裝到筒體上后，磁極表面的磁場(chǎng)吸力大，而離開極面不遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度快速下降，高梯度的磁系設(shè)計(jì)使保護(hù)層既堅(jiān)固又厚度適當(dāng)，高梯度磁場(chǎng)和保護(hù)層內(nèi)部被二次磁化形成封閉磁路，使吸附層表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎為零，這樣礦漿就不會(huì)被磁化而影響后邊流程中的分級(jí)和選別。
3 HM磁性襯板的應(yīng)用進(jìn)展
3.1在磁性礦的應(yīng)用
包鋼集團(tuán)某大型鐵選廠始建于1958年，處理原礦石能力達(dá)到1200萬t/a，選礦廠的原礦石屬沉積變質(zhì)高溫?zé)嵋航淮投嘟饘俟采V床，密度3.7t/m3，普氏硬度8～12，鐵品位為32.0%左右。其中磁鐵礦占50%～51%，屬強(qiáng)磁性礦物，比磁化率x =6300～12000m3/ kg，有良好的吸附性。
選礦廠原礦經(jīng)三段破碎粒度減小到-25mm，然后進(jìn)入三段閉路磨礦工藝流程。第一段為棒磨機(jī)開路工作，第二、三段為球磨機(jī)閉路工作，磨礦產(chǎn)品粒度為-75μm≥90%。HM型磁性襯板(包括筒襯和端襯)安裝在二段Φ3.6×6.0m球磨機(jī)上，從1999年2月投入運(yùn)轉(zhuǎn)，使用壽命達(dá)到了8年多，達(dá)到高錳鋼襯里的6～8倍。在襯板的使用過程中，曾多次打開磨機(jī)筒體考察，磁性襯板表面由介質(zhì)、碎球和礦粉組成的吸附層非常均勻勻和牢固，按磁系排列形式均勻美觀的自然波形，如圖4所示。
圖4 Φ3.6×6.0m球磨機(jī)內(nèi)磁性襯板保護(hù)層外貌
Figure4 Appearance of magnetic layer in the Φ3.6×6.0m ball mill
HM磁性襯板與錳鋼襯板對(duì)比，對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度、磁選精礦品位和回收率沒有任何不良影響，使用過程中免維護(hù)，提高磨機(jī)作業(yè)率3.14%;增大磨機(jī)有效容積，提高磨機(jī)處理能力3.16%，還具有重量輕、節(jié)電、噪音低、節(jié)省磨機(jī)操作成本等優(yōu)點(diǎn)，每年就可為包鋼選廠增加經(jīng)濟(jì)效益117.8萬元。
3.2 在非磁性礦的應(yīng)用
云南某大型銅礦的采選規(guī)模為2000t/d，礦石硬度大，屬堅(jiān)硬的長(zhǎng)石、石英砂巖。銅主要附存于硫化礦物中，以輝銅礦為主，其次為銅藍(lán)、斑銅礦;脈石以石英、長(zhǎng)石為主，其次為方解石、粘土礦物等，伴生礦物中有銀，原礦中不含磁性礦物，多元素分析結(jié)果見表1。
表1 原礦多種元素分析結(jié)果
該選廠采用四段磨礦加分段浮選的流程，原礦經(jīng)過三段磨礦后兩次粗選，粗選的精礦進(jìn)行第四段再磨，磨礦粒度達(dá)到-325目95%時(shí)在進(jìn)行第三次精選。
在2003年前后該選廠曾先后嘗試了錳鋼襯板、磁性襯板和橡膠襯板，并對(duì)三種襯板進(jìn)行了較系統(tǒng)的考察，得出磁性襯板的使用壽命不如橡膠襯板的結(jié)論。針對(duì)該礦的礦石性質(zhì)和工藝條件我院研制了新型的HM-FC耐磨磁性襯板，安裝在該選廠的二段和三段球磨機(jī)上，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)磁性襯板的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，使磁性襯板能更牢固的吸附磨機(jī)內(nèi)部的碎鋼球和小鋼球。HM-FC磁性襯板在2007年5月安裝使用，使用壽命達(dá)到三年半，是原錳鋼襯板的5倍。盡管受礦物不含磁性物的制約襯板使用壽命達(dá)不到在磁性礦物使用八年的壽命，但與高錳鋼襯板相比在使用成本方面已經(jīng)非常優(yōu)越。
3.3 在大型磨機(jī)上的應(yīng)用
云南某大型有色金屬選礦廠生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到8000t/d，礦石類型屬于錫石硫化物-矽卡巖型，按礦物自然組合特征，大致分為錫石硫化物型、錫石矽卡巖型、錫石磁鐵礦型，以錫石硫化物型礦石為主。多金屬元素的分析結(jié)果見表2。
表2 原礦多種元素分析結(jié)果
該礦的碎磨工藝采用粗碎+半自磨+球磨流程，其中粗碎后的礦物粒度為-250mm，該產(chǎn)品給入半自磨機(jī)，半自磨機(jī)的產(chǎn)品粒度為10mm占80%，進(jìn)入到一段球磨機(jī)中，球磨機(jī)的型號(hào)為φ5.03×8.5m，如圖5所示，安裝功率3500kW，使用最大直徑為80mm鋼球，磨礦產(chǎn)品粒度為-74μm占80%，在投產(chǎn)初期該磨機(jī)使用錳鋼襯板，但襯板磨損較快，對(duì)生產(chǎn)造成一定影響，后經(jīng)過研究決定使用HM型磁性襯板取代錳鋼襯板。
該球磨機(jī)的直徑較大，而且礦物中的磁性成分含量不高，在類似條件下使用磁性襯板是存在難度的，HM型磁性襯板進(jìn)行了開拓性的嘗試，針對(duì)應(yīng)用條件對(duì)襯板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更能適應(yīng)大直徑磨機(jī)的工況條件。經(jīng)過一段運(yùn)行時(shí)間的考察，HM型磁性襯板的使用情況良好，安裝磁性襯板后磨機(jī)的處理能力和磨礦產(chǎn)品粒度沒有受到任何影響，而磨機(jī)的平均運(yùn)行功率由原來的2300kW降低到2220kW左右，節(jié)能約3.4%，此外磨機(jī)的噪音也有所降低，改善了工作環(huán)境。
圖5 安裝HM型襯板的φ5.03×8.5m球磨機(jī)外貌
Figure6 Appearance of Φ5.03×8.5m ball mill installed HM magnetic lining
4總結(jié)
(1)通過深入研究磁性襯板保護(hù)層的形成機(jī)理，形成了多極分布，小極距，表面大場(chǎng)強(qiáng)，高磁場(chǎng)梯度的磁系設(shè)計(jì)特點(diǎn)，使襯板表面形成穩(wěn)定的有效保護(hù)層，使用壽命更長(zhǎng)，性能更穩(wěn)定;
(2)HM磁性襯板經(jīng)過近30年的發(fā)展已經(jīng)在國內(nèi)各大磁性礦物選廠獲得廣泛應(yīng)用，使用壽命達(dá)到6-8年，得到了用戶的一致認(rèn)可;
(3)通過不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)升級(jí)，HM磁性襯板已經(jīng)成功應(yīng)用于非金屬礦物和弱磁性礦物，并取得使用壽命3年以上的良好效果，是同種工況下的高錳鋼襯板使用壽命的3倍以上，經(jīng)濟(jì)效益明顯;
(4)HM磁性襯板在直徑5m以上的大型球磨機(jī)取得突破性進(jìn)展，隨著應(yīng)用壽命的不斷增加和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，必然迎來更加廣闊的市場(chǎng)前景。
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聲明：
“HM型磁性襯板的研究與應(yīng)用進(jìn)展” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：北京礦冶研究總院，北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司
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