提升条表面结构特征对球磨机粉磨效果影响的研究.pdf

2 0 1 9 年第6 期有色金属 选矿部分7 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 9 ．0 6 ．0 1 5 提升条表面结构特征对球磨机粉磨效果影响的研究 徐贞1，孙军锋2 ，张学东3 1 ．云南开放大学机电工程学院，昆明6 5 0 5 0 0 ；2 ．昆明理工大学机电工程学院， 昆明6 5 0 5 0 0 ；3 ．上汽依维柯红岩商用车有限公司，重庆4 0 1 1 2 2 摘 要球磨机工作时，衬板及其提升条受到磨矿介质与物料的跑合冲击作用产生冲击磨损与磨粒磨损，其中提升条的 磨损尤为明显。当提升条产生较大程度的磨损时，对介质和物料的提升作用大打折扣，从而使磨机的功耗升高，增加了生产 成本。针对4 种表面特征 光滑、横向条纹、纵向条纹、凸包 的提升条在磨矿时的粉磨效果进行数值模拟与磨矿试验。对比发 现横向条纹耦合仿生结构在4 种提升条中的耐磨性和磨矿效果最佳，相比光滑表面特征的提升条，在同等条件下质量损失降 低了5 6 ％，1 8 0 “m 以下物料产率提升了1 7 ．8 ％。 关键词球磨机；提升条结构特征；粉磨效果；磨粒磨损。 中图分类号T D 4 5 3 ．1文献标志码A文章编号l6 7 1 ．9 4 9 2 2 0 1 9 0 6 0 0 7 9 一0 3 S t u d yo nt h eI n f l u e n c eo fS t 邝c t u r eC h a r a c t e r i s t i c so fL i f t i n gB a r 7sS u r f a c e o nt h eG r i n d i n gE f f e c to fB a l lM i l l x UZ h e n i ，S U Nju n ，f e n g2 ，Z H A N Gx M e d O n g i j ．F 以f 甜Z ￡yo 厂M P c 口”i c Ⅱf 以”dE f P c f r i f n ZE ”g i ”P 已r i 行g ，Y k 门订以门O p 已扎L k i 训P r s i ￡y ， K “”m i 行g6 5 0 5 0 0 ，C i ”口；2 ．F 盘f 甜Z f yo 厂M P ’ “托i f n Zn 卵dE f P f f r i f z ￡E 卵g i n P P ，| i 柙g ， K u n m i n gU n i r U e r s n y 【 fS c i e n c en ，l dT e c h n oC o g y ，K u n n l i n g6 5 0 5 0 0 ，C h i n a ； 3 ．S A J CJ 训e f oH o ，2 9 y n ”C o ，M 7 ”P r f i ⅡfV 台J f 2 i f Z PC o ．，L f d ．，C 矗。卯g g 幻2 94 0 jJ 2 2 ，C i 以口 A b s t r a c t W h e nt h eb a l lm i l li sw o r k i n g ，t h el i n e ra n di t sl i f t i n gb a ra r es u b j e c t e dt oi m p a c tw e a ra n d a b r a s i V ew e a rb yt h ei m p a c to ft h eg r i n d i n gm e d i u ma n dt h em a t e r i a l ，a n dt h ew e a ro ft h el i f t i n gb a ri s p a r t i c u l a r l yo b V i o u s ． W h e nt h el i f t i n gb a r sg e n e r a t eal a r g ed e g r e eo fw e a r ，t h el i f t i n gb a r sg r e a t l yr e d u c e t h em e d i aa n dl i f t i n go fm a t e r i a l ，t h e r e b yi n c r e a s i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h eb a l lm i l la n di n c r e a s i n g t h ep r o d u c t i o nc o s t ．I nt h ep a p e r ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dg r i n d i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to n t h eg r i n d i n ge f f e c t so ff o u rk i n d so fs u r f a c ef e a t u r e ss u c ha ss m o o t h ，h o r i z o n t a Ib a r ，v e r t i c a lb a ra n dc o n v e x h u l l s ．I t i sf o u n dt h a tt h eh o r i z o n t a lb a r c o u p l e db i o n i cs t r u c t u r eh a st h eb e s tw e a rr e s i s t a n c ea n dg r i n d i n g e f f e c ti nt h ef o u rk i n d so fl i f t i n gb a r s ． C o m p a r e dw i t hs m o o t hs u r f a c ef e a t u r e s ，t h em a s sl o s si sr e d u c e db y 5 6 ％u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，a n d18 0 雎mm a t e r i a ly i e l di n c r e a s e db y17 ．8 ％． K e yw o r d s b a l lm i l l ；s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fl i f t i n gb a r ；g r i n d i n ge f f e c t ；a b r a s i v ew e a r 球磨机是粉磨作业所需的重要设备，在选矿领 域甚至整个国民经济中扮演着重要角色u 1 3 J 。当前 我国正在进行经济转型，对设备的节能高效提出了 新要求。选择合适的耐磨材料，设计合理的衬板结 构，对提高球磨机的作业率具有重要意义口] 。目前 对于衬板耐磨设计研究集中在提升条的总体结构、 数量以及材料等方面。7 ] ，仿生摩擦学为新型耐磨件 的开发提供了一种全新的方法和思路‘8 ‘。 1试验过程 1 ．1 准备试验设备 1 、本试验以西6 0 0m m 4 0 0m m 型球磨机试验 样机为平台，相比实际工况中的球磨机，对传动系 统、进料排料系统进行了结构简化，这样更易于操作 基金项目云南省科技厅项目 2 0 17 F D l 3 2 收稿日期2 0 1 9 一0 5 2 3 修回日期2 0 19 1 0 0 8 作者简介徐贞 1 9 8 6 ，女，江西临川人．硕士，讲师，主要从事机电一体化、摩擦磨损的研究工作。 通信作者孙军锋 19 8 4 ～ ，男，陕西宝鸡人．硕士，讲师，主要从事机电装备集成开发与研究，以及磨矿设备机理研究开发、流体密封、摩擦磨损 等方面的研究工作。 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第6 期 和观测。利用此试验设备对具有四种不同表面特征 的提升条的耐磨性能和磨矿效果进行了磨矿试验。 2 、球磨机衬板提升条的作用是将物料提升至具 有一定高度，来控制筒体内物料与介质的运动状态， 从而提高物料的粉磨效率。为了便于加工和统计提 升条的磨损情况，采用分体式衬板构造。 3 、本试验所用提升条的材质为Z G M n l 3 ，采用 堆焊的方式制备提升条上的仿生耐磨特征。试验中 堆焊作业采用手工焊进行，焊机为Z X E l 4 0 0 ／3 1 5 型 交直流两用弧焊机，工作电流4 0 0 ／3 1 5A ，堆焊焊条 为D 9 9 8 耐冲击耐高温耐磨碳化钨堆焊焊条，焊条直 径为3 ．2m m 。 1 ．2 试验参数的选取 试验采用干磨方式进行，矿石为总质量2 8 ．5k 的 花岗岩，填充率为0 ．4 [ 9 ] ，矿石粒度主要在4 ～1 2m m ，钢 球重质量为2 1 6k g ，驱动球磨机的电机的额定转速 14 3 0r ／m i n ，减速比2 9 ，工作频率5 0H z ，采用增速 比3 7 ／2 1 增速齿轮组作为传动部件，因此筒体可到 达的最高转速为8 6 ．8 8r ／m i n ，因此当筒体的转速率 为6 5 ％时，简体的转速为3 5 ．5 5 5r ／m i n ，对应的简体 实际频率应为 厂实际一 行实际／门筒体 厂电机一 3 5 ．5 5 5 ／8 6 ．8 8 5 0 2 0 ．4 6H z 1 1 ．3 试验辅助设备 本次试验的标准筛采用的套筛，其粒度分布包 括了粗、中、细三个粒级，除了要测定产品的粒度外， 还要测定试验前入料粒度的分布。 由于本次试验需要称重的物料中既有钢球，亦 有矿料和提升条，选用了量程为6k g 、精度为o ．1g 的工业用电子秤和量程为2 0 0k g 、精度为1 0 0g 的 大型称量设备。 1 ．4 试验实施过程 1 清理表面的焊渣等杂质，称重试验前的提升 条。正确安装提升条，使工作面处于正确位置，对电 子秤进行通电预热，开启磨机电源，接通变频器，通 过缓慢调节变频器上的赫兹数，检查磨机的运转状 态，检查无误后，关闭电源，并将矿料和磨矿介质填 人磨机中，装料完毕后人员撤离至安全区域，启动磨 机并调至工作频率。 2 磨机每按工作转速运行1 0m i n 后暂停，取出 物料，并进行规定粒度产率的称重，并记录数据，累 积运行6 0m i n 后，切断电源，带磨机停止运转后，卸 下物料和提升条，称重统计各个提升条的失重量。 2 试验结果分析 2 ．1 不同表面特征提升条磨损量 通过磨矿lh 后不同表面特征提升条的质量损 失情况来表征各自的耐磨情况。在试验开始前，将 各个提升条表面进行清洗，去除药皮与其它杂质，称 重并记录各个不同表面特征提升条的重量。磨机运 行1h 后，切断电源，卸完矿石和提升条，并逐个清 洗干净，待干燥后，用工业用电子秤逐个称重并记录 数据，得到不同表面特征提升条在磨矿前后的质量 大小即磨损量，如表l 所示。 表1不同表面特征提升条磨矿前后的质量 T a b l e1T h eq u a l i t yo ft h el i f t i n gb a r sb e f o r ea n da f t e rg r i n d i n go fd i f f e r e n ts u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s 由表1 可知，在相同的磨矿条件下，磨矿前后不 同表面特征的提升条各自的磨损特性也有所不同， 其中光滑表面提升条的平均磨损量为5 ．5g ，而表面 堆焊横条纹型仿生特征后的提升条平均磨损量是最 小的，平均磨损量为2 ．4 3g ，堆焊凸包仿生特征的提 升条的平均磨损量为2 ．8 3g ，堆焊纵向条纹仿生特 征的提升条的平均磨损量则为3 ．2g 。可见，堆焊硬 质耐磨仿生特征单元后，形成的硬质承载一软质吸 能机制的复合结构提升条在一定程度上改变了磨矿 介质和矿石对提升条的摩擦方式，即由原来的滑动 摩擦，变为部分的滚动摩擦，其耐磨性要明显优于原 有的光滑表面的提升条，而在堆焊仿生特征的提升 条中，耐磨性最好的是横向条纹特征的提升条。 2 ．2 分析不同特征提升条的磨矿效果 除了要分析提升条的磨损之外，还要将不同表 面特征提升条的磨矿效果考虑在内。因此，本文还 需要对在相同的工作条件下不同表面特征的提升条 在规定时间内的磨矿效果进行统计分析。 球磨机在磨矿过程中，磨机的生产率一般以每 小时内特定粒度的产品产量作为衡量指标，对于本 次试验，用每千克物料中1 8 0 肚m 以下产率 负累积 产率 作为磨矿效果的评价指标，即根据不同表面特 万方数据 2 0 1 9 年第6 期徐贞等提升条表面结构特征对球磨机粉磨效果影响的研究 8 1 征提升1 8 0 “m 以下产率的变化情况研究各自的磨 矿效果。试验结果见图1 。 图1四种不同表面特征的提升条在6 0m i n 磨矿过程中1 8 0 “m 以下产品产率 F i g ．1 T h e4d i f f e r e n ts u r f a c e ’sc h a r a c t e r i s t i c s o ft h el i f t i n gb a r si nt h e6 0m i ng r i n d i n gp r o c e s s o ft h ep r o d u c t sy i e l do fl8 0 扯m 通过图1 可以看出，不同表面特征的提升条在 6 0m i n 内磨矿过程中，1 8 0u m 以下产品产率的变化 率也呈现出不同的变化趋势在前3 0m i n 内，变化 趋势基本一致，且各自的产率也基本相同；3 0m i n 之后，产品产率及其变化趋势呈现出了较为明显的 差异其中光滑表面和堆焊有纵向条纹提升条的产品 产率增加量有所减小，且6 0m i n 后累积产率分别为 6 2 ．8 3 ％和5 2 ．0 9 ％，而堆焊有横向条纹和凸包型特征 的提升条在上述磨矿时间内最终各自的1 8 0 肚m 以下 产品累积产率分别为7 6 ．4 1 ％和7 0 ．3 2 1 ％。 可见，堆焊仿生特征的耐磨单元后，相较于原有 的光滑表面提升条，不同程度地影响了磨机的磨矿 效果，对于横向条纹特征和凸包特征，结果表明横向 条纹特征的提升条在1h 的磨矿时间内，1 8 0 “m 以 下的最终产率要比光滑提升条高1 7 ．8 ％，比凸包特 征的提升条高8 ％。这是由于堆焊横向条纹特征与 凸包特征后，相当于提升条工作面上又多了一级的 提升部件，这与应用在半自磨机梯形衬板上的阶梯 型提升条的原理相似，增强了提升条的提升功能，提 高了提升效率，使得介质与物料的碰撞更加充分．从 而提高了磨矿效果。 试验结果还表明，堆焊纵向条纹特征的提升条 在1h 时间内的1 8 0 “m 以下最终产率要低于光滑 表面特征的提升条。对于纵向条纹特征，由于特征 纹路走向与物料的运动方向一致，从而具有“导流” 的作用，这就使得提升条对物料与介质的提升作用 变小，使得物料、介质获得的能量变小，从而磨矿效 果也降低。 此外，通过观察四种不同特征的磨矿效果的变 化趋势还发现，在3 0m i n 后，随着物料逐渐被破碎， 不同的表面特征对物料的运动状态的改变程度出现 了差异，导致不同特征提升条的磨机内物料的粒度 分布也发生了变化，物料粒径越小，则横向条纹特征 和凸包特征表面的空气垫效应愈加明显，且小粒径 的物料便于提升，因此出现了1 8 0 扯m 以下产品产率 的差异逐渐明显的现象。 3结论 本文主要运用球磨机试验样机对4 种表面特征 分别为光滑、横向条纹、纵向条纹、凸包的耦合仿生 结构特征提升条进行了试验验证，通过失重法统计 了不同表面特征提升条磨矿时的质量损失．发现 1 横向条纹特征的提升条对磨矿效果的提高最 为明显，其次是凸包型特征，而纵向条纹特征提升条 的磨矿效果要低于光滑特征提升条。 2 通过统计磨矿时1 8 0 “m 以下物料筛下产率， 发现堆焊横向条纹耦合仿生特征后，磨矿效果的提 升效果最为明显，比光滑表面的提升条提高了 1 7 ．8 ％，表明该结构能够延长提升条的使用寿命，磨 矿效果也有了改善。 3 堆焊有硬质仿生耐磨特征的提升条与原有相 对较软的钢制基体组成了软硬相间的耦合仿生结既 可以提高提升条的耐磨性，又可以改善磨矿效果。 此外，当具有耦合仿生单元的提升条在达到更换条 件时，由于基体磨损量较小，且堆焊作业成本低廉， 因而可以在失效的提升条上再次堆焊以重复使用， 这在实际生产中也具有较高的可行性，从而大大地 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