大型半自磨机筒体衬板结构优化及应用.pdf

第 48 卷 2020 年第 2 期 破 磨 编辑 翟晓华 39 4 结语 该控制系统根据发恩德二选厂破碎筛分自动化改 造项目的实际特点和技术要求，经过现场调研、方案 制定、工厂设计、安装调试及现场整改等，目前已投 入实际运行。现系统运行稳定可靠，达到了减员增效 的预期目标，为中小型矿山自动化改造提供了一种有 效解决方案，值得推广。 参 考 文 献 [1] 张发军，李世纯，贺三章，等．锡铁山铅锌矿选矿生产调试 问题及整改措施 [J]．矿山机械，2019，47873-76. [2] 向晓汉．西门子 WinCC7.3 组态软件完全精通教程 [M]．北 京化学工业出版社，2018194-198. [3] 杜自彬．ROFINET 在千万吨级砂石骨料生产线的应用 [J]．矿 山机械，2019，47866-69. [4] 高 源，杜自彬，姬建钢，等．CC1000 型圆锥破碎机控制系 统设计 [J]．矿山机械，2017，45633-37. [5] 杜自彬，刘 俊．千万吨级骨料生产线控制系统设计 [J]. 矿山 机械，2019，47332-38. □ 收稿日期2019-11-18  大型半自磨机筒体衬板 结构优化及应用 刁晓刚1,2，李 卫2，王春民1，程艳艳1，张志勇1，姬建钢1 1中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039 2暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院 广东广州 510632 摘要根据国内某铜矿大型半自磨机实际运行状况，针对磨机运行期间筒体衬板开裂、磨矿效率低及 运营成本较高等问题，基于 Milltraj 半自磨机介质抛落轨迹计算技术，结合实际设计经验，对半自磨 机筒体衬板结构进行了改进和优化。生产应用结果表明，磨矿处理量大幅提升，综合运营成本显著降 低，取得了较好的应用效果。 关键词半自磨机；筒体衬板；结构优化；应用 中图分类号TD453 文献标志码B 文章编号1001-3954202002-0039-06 Optimization and application of shell liner of large SAG mill DIAO Xiaogang1,2, LI Wei2, WANG Chunmin1, CHENG Yanyan1, ZHANG Zhiyong1, JI Jiangang1 1 CITIC Heavy Industries Co., Ltd, Luoyang 471039, Henan, China 2Institute of Advanced Wear shell liner; structural optimization; application 作者简介刁晓刚，男，1982 年生，博士，高级工程师，主要从事耐磨材料研究及技术管理工作。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 编辑 翟晓华 破磨 40 评估，表征参数为 Ab[3]Ab 数值越小，矿石越 难破碎；反之，矿石易破碎。Bond 理论[5]中 BWi 为球 磨功指数，反映了矿石研磨性能的难易程度BWi 数 值越大，矿石越难研磨；反之，矿石易研磨。 通过对该矿矿石属性分析可知，矿石主要为花岗 岩型硫化铜矿石。对同规格半自磨机、不同类型矿石 属性进行对比，结果如表 2 所列。 由表 2 可以看出，与其他 2 种不同种类矿石相比， 该硫化铜矿石的破碎、研磨难易程度属于中等水平。 2 原衬板结构 原筒体衬板的结构及排列方式如图 2、3 所示， 筒体衬板共 48 排，螺栓孔均位于筒体提升条上，按 矿石类型 硫化铜矿 斑岩型铜钼矿 斑岩型铜矿 Ab 值 46.12 55.51 57.05 28.1 31.47 BWi 15.6 12 18 18 普氏硬度 f 8 14 10 12 12 18 备注 研究对象 参考对象 1 参考对象 2 表 2 矿石性质 Tab. 2 Mineral properties 图 2 原筒体衬板结构 Fig. 2 Structure of original shell liner 图 3 筒体衬板排列方式 Fig. 3 Layout style of shell liners 图 1 SABC 破磨工艺流程 Fig. 1 SABC crushing and grinding process 在 众多磨矿设备中，半自磨机因其磨矿流程 短、生产效率高、成本低等优势在各类大型矿 山中广泛应用[1]。随着磨矿工艺需求增加、研发设计 能力提升及重型装备制造业的发展，半自磨机大型化 已成为一种趋势[2]。 半自磨机是由进料端盖、筒体部以及出料端盖等 零件组成的回转体。在设备运行过程中，磨机衬板起 到一定的保护作用，防止研磨介质和物料的冲击对筒 体的破坏性磨损；同时使物料和介质在抛落及泻落时 产生研磨效果，达到粉磨矿石的目的。磨机衬板设计 是决定磨机稳定运行的关键因素，其结构合理与否对 磨机性能、衬板使用寿命及磨矿效果产生重要影响。 随着磨机规格增大和自动化程度的提高，衬板磨损问 题已变得越来越突出。衬板断裂、耐磨性差导致衬板 更换频繁，使磨矿成本提高、设备运转率降低，最终 对磨矿效率产生重大影响。 笔者结合国内某大型铜矿 φ11.0 m5.4 m 半自磨 机筒体衬板的实际应用状况，对衬板结构进行改进和 优化，以提高磨矿效率，降低综合运营成本。 1 磨机运行工况 φ11.0 m5.4 m 半自磨机是中信重工独立研发的 双驱变频磨机，其主要技术参数如表 1 所列。 碎磨工艺采用目前国内外使用较为广泛的 SABC 流程，即一段破碎 半自磨机 球磨机 顽石破碎 机。该半自磨机为开路系统，经振动筛分级后，筛上 顽石不再返回半自磨机，而是直接进入堆浸工艺，筛 下矿浆经旋流器分级与球磨机构成闭路系统。具体工 艺流程如图 1 所示。 矿石性质试验对设备选型及最终磨矿工艺流程的 确定有直接影响。目前矿石性质试验主要有澳大利亚 JK Tech 公司的 DWT 试验、Bond 系列功指数试验、 高压辊磨试验及立式搅拌磨试验等[3-4]。澳大利亚 JK Tech 公司 DWT 试验是对矿石的抗冲击破碎性能进行 表 1 半自磨机主要技术参数 Tab. 1 Main technical parameters of SAG mill 参数 筒体直径/mm 筒体长度/mm 转速/r min-1 额定功率/kW 给矿量/th-1 进料粒度 F80 /mm 出料粒度 P80 /mm 钢球直径/mm 钢球填充率/ 数值 11 000 5 400 9.74 6 5002 1 875 180 ≤ 10 120 8 12 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 破 磨 编辑 翟晓华 41 3 衬板结构改进及使用效果 3.1 结构改进 首先对原筒体衬板结构进行模拟计算，结合磨机 的规格和转速、钢球直径、磨机综合填充率及衬板结 构等参数，采用 MillTraj 专业模拟软件对半自磨机磨 球运动轨迹进行模拟，结果如图 5 所示。 由图 5 可以看出，筒体内物料分布于第 4 象限 30 38 位置，而钢球的抛落点却位于第 4 象限靠近 40 位置。显然，在磨机运转过程中，磨球抛落至物 料趾部外，对物料的破磨作用减弱，反而直接砸向衬 板，对衬板造成了巨大的、频繁的冲击，从而降低了 磨矿效率，造成衬板过早损坏。因此，必须对筒体衬 板进行结构改进，以调整磨球、物料的抛落轨迹，改 善钢球直接对衬板的冲击力。 在半自磨机规格、磨机转速及磨球规格一定的条 件下，影响磨机物料及钢球运动轨迹和磨矿效率的因 素包括筒体衬板间隙、提升条高度及提升面角。因 此，对半自磨筒体衬板进行改进，采取的主要措施如 下 1 增加衬板间隙，提高磨机性能 衬板间隙 是由衬板排列数量决定的，影响物料的提升率。合理 的提升条间隙可最大限度地增加物料提升率，避免 夹料现象，提高磨机性能[6-7]。部分提升条数量减少 可以增加提升条间料仓体积，同时也可提高磨机每转 动一圈所提升的料浆，提升率增加将大幅提高磨矿效 率[8]。筒体衬板原排数为 48 排，现将衬板排数由 48 排减少至 32 排，同时将筒体部二段分布改为三段分 布。 2 增加提升条的高度 衬板提升条的作用主要 是提升物料及磨球，改变其运动轨迹和运动状态[9]。 提升条高度增加，物料及磨球被提升的高度也随之增 图 5 原衬板结构磨球抛落轨迹 Fig. 5 Throwing trajectory of grinding ball in circumstance of original-structured liner 照高-高形式布置。筒体衬板提升条为对称型，衬板 总高 290 mm，提升条面角为 56 ，底板厚度 80 mm， 底板两侧设置辅助提升条。 该半自磨机于 2016 年 10 月投入试运行，在试运 行约 2 个月后，筒体衬板出现不同程度的开裂现象， 整体磨损量较小。开裂部位位于提升条及底板处，以 底板开裂为主，开裂形式大多为纵向贯穿开裂，严重 区域已掉块，如图 4 所示。分析损坏的原因主要是磨 矿工艺流程处于前期摸索阶段，整个采矿、粉磨系统 给矿量不稳定，难以满足设计日产量要求；同时磨球 的加入时机、频次及加入量也不固定；加之因其他设 备检修的影响，磨机整体运行呈现非连续状态。在此 工况条件下，磨机内综合填充率低、物料层薄，运行 瞬间磨球量大，使得衬板遭受巨大冲击，断裂风险加 剧。 随着碎磨工艺日渐稳定，原结构筒体衬板又陆续 使用 2 套。相较于试运行期间，这 2 套筒体衬板的断 裂数量有所降低，但依然存在排料端筒体衬板开裂现 象。在整个运行周期中，原结构筒体衬板的磨矿效果 不理想，每套衬板平均磨矿量为 230 万 t，衬板整体 耐磨性有待提高。 图 4 筒体衬板开裂 Fig. 4 Cracking of shell liner 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 编辑 翟晓华 破磨 42 图 8 改进后筒体衬板安装 Fig. 8 Installation of optimized shell liners 图 6 衬板结构改进后磨球抛落轨迹 Fig. 6 Throwing trajectory of grinding ball in circumstance of structural optimized liner 加，从而增强了其抛落时的破磨能力，利于磨矿效率 的提升。筒体衬板原高度 290 mm，在保持底板厚度 80 mm 不变的情况下，将高度提升至 380 mm，总高 增加 90 mm。 3 改变筒体衬板面角 筒体衬板面角是指衬 板提升条截面夹角，筒体衬板面角也是决定物料及 磨球运行轨迹的关键因素之一[10-11]。筒体衬板的面角 越大，磨球被衬板提升的高度就越低，落点就越靠近 中心，衬板被撞击的概率就会降低；相反，筒体衬板 的面角越小，磨球被衬板提升的高度就越高，落点就 越远离中心，衬板被撞击的概率就增大。因此，考虑 通过增大筒体衬板面角来降低磨球被提升的高度，以 减少磨球对衬板的冲击力。原筒体衬板提升条面角为 56 ，现将筒体衬板面角增大至 60 。 3.2 使用效果 改进后通过模拟软件对磨机磨球运动轨迹进行 模拟，结果如图 6 所示。由图 6 可以看出，磨球抛落 位置位于第 4 象限的 38 左右，而物料的边缘位置在 第 4 象限 38 左右，显然，磨球的抛落点即为物料趾 部，此时不但不会撞击衬板，而且磨矿效率将达到最 高。由此可以推断，衬板的第一次结构改进是比较合 理的。 图 7、8 分别为改进后筒体衬板结构及现场安 装情况。筒体衬板结构改进后，首套衬板于 2017 年 7 月 25 日安装运行，共连续使用 2 套，每套衬板平 均处理矿量达到 326 万 t，比原结构衬板磨矿量提升 41.74，改进效果明显。但同时该筒体衬板也存在 不足之处一是个别衬板质量较重 达 2.43 t，基本 达到现场机械手的限制质量 2.5 t，对现场安装造成 一定的安全隐患，且增加了衬板安装更换时间；二 是筒体衬板整体质量较原结构衬板增加 37.86 t，增重 22.6，磨机负载加重，实际运行功率增加，磨矿能 耗增加，大幅度提高了运行成本。 4 衬板结构优化及使用效果 4.1 结构优化 图 9、10 分别为改进后失效筒体衬板及磨损曲 线示意。分析现场失效衬板剩余厚度以及磨损曲线可 知，磨损严重部位主要位于出料端筒体衬板及筒体提 升条提料侧，而进料端筒体衬板以及非提料侧磨损量 较少，剩余厚度相对较多。 在基本保证磨矿效率的前提下，为达到进一步减 轻筒体衬板质量、降低采购和运行成本、提高衬板更 换效率及提升衬板综合性价比的目的，必须对筒体衬 板进行再次结构优化。 图 7 改进后筒体衬板结构 Fig. 7 Structure of optimized shell liner 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 破 磨 编辑 翟晓华 43 降低至 350 mm，出料端筒体衬板高度保持 380 mm 不 变；在磨机单向旋转条件下，筒体衬板维持 60 面角 不变，通过适当减小非提升侧角度，在减轻衬板质量 的同时，提高衬板的有效金属利用率。 4.2 使用效果 图 12 所示为结构优化后磨球抛落轨迹。结果显 示，磨球的抛落点位于物料趾部，并没有直接空砸衬 板，衬板结构优化可行。 图 13 显示了衬板结构变化与矿石处理量之间的 关系。优化后首套筒体衬板于 2018 年 4 月 5 日开始 装机运行，连续运行共计 3 套，相较于第一次结构改 进，筒体衬板质量减少 13 t，降低 6 左右，但磨矿效 率仍维持在较高水平，平均处理矿量达到 310 万 t。由 此可以断定，第二次结构优化是成功的，整体性价比 较高，获得了客户的认可。 5 结语 根据大型半自磨机实际运行工况，对半自磨机筒 体衬板结构进行了持续不断的改进，通过分析筒体衬 板排数、提升条高度以及提升条面角等对磨矿效率有 影响的因素，结合实际设计经验，获得了较佳的结构 优化方案。衬板结构改进和优化后，磨矿效率大幅提 图 10 结构改进后失效衬板磨损曲线 Fig. 10 Wear curve of failed liner after structural optimization 图 11 筒体衬板结构优化 Fig. 11 Structural optimization of shell liner 图 13 衬板结构变化与磨矿量之间变化关系 Fig. 13 Relationship between liner structure and grinding throughput 图 12 衬板结构优化后磨球抛落轨迹 Fig. 12 Throwing trajectory of grinding ball after structural optimization of liner 本次结构优化主要对不同部位进行差异化设计。 如图 11 所示，在衬板高-高排列形式下，根据实践经 验将进料端筒体衬板提升条高度适当降低，由 380 mm 图 9 结构改进后失效衬板 Fig. 9 Failed liner after structure optimization 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 编辑 翟晓华 破磨 44 升，综合运行成本降低，使用效果良好。面对半自 磨机大型化发展趋势，半自磨机筒体衬板还存在较 大的优化空间，需要借助计算机模拟技术，紧密结 合选矿工艺，在磨机实际运行基础上有待于继续进 行研究。 参 考 文 献 [1] 杨琳琳，文书明．自磨机和半自磨机的发展和应用 [J]．国外 金属矿选矿，2005713-16. 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