楊俊平，周宏喜，孫小旭

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

1 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，綜合國(guó)力空前提高，基礎(chǔ)設(shè)施、民生工程的建設(shè)都達(dá)到前所未有的規(guī)模，這些都對(duì)礦產(chǎn)資源的發(fā)展提出了剛性需求。目前我國(guó)金屬和非金屬礦山的礦石開采量和金屬產(chǎn)量都居世界前列，尤其是鋼鐵產(chǎn)量從1996年開始一直處于世界第一。

一般來(lái)說(shuō)，破碎、磨礦、分級(jí)作業(yè)是各類選礦廠的通用工序，磨礦作業(yè)更是廣泛用于礦業(yè)、建材、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，占基建投資的60% ～80%，生產(chǎn)費(fèi)用占選礦成本的50% ～70%，特別是電耗、鋼耗占整個(gè)選廠的70%～80% 。磨機(jī)襯里安裝在磨機(jī)筒體內(nèi)表面，用來(lái)保護(hù)筒體不被磨損，并影響磨礦介質(zhì)在筒體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，因此襯里的形狀和材質(zhì)歷來(lái)都是磨礦技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容之一[1]。

磁性耐磨襯里是靠磁場(chǎng)力在襯里工作面吸附一層磁性介質(zhì)，形成一定厚度的保護(hù)層，減少襯里工作表面與運(yùn)動(dòng)的磨礦介質(zhì)和被磨物料直接接觸，從而起到減輕磨損、延長(zhǎng)襯里壽命的目的。耐磨磁性襯里一經(jīng)推出就收到了非凡的應(yīng)用效果，它的壽命可以達(dá)到普通高錳鋼襯里的4～8倍，甚至更長(zhǎng)，大大節(jié)約鋼耗，降低選礦成本，為礦山選廠帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。

因此十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行耐磨磁性襯里的機(jī)理和應(yīng)用研究。近幾年來(lái)，北京礦冶研究總院根據(jù)各種礦石的特點(diǎn)，對(duì)臥式球磨機(jī)和立式超細(xì)磨機(jī)的不同磨礦機(jī)理進(jìn)行了充分研究，并對(duì)吸附層的組成和吸附條件進(jìn)行模擬，應(yīng)用最新的COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件對(duì)磁系進(jìn)行優(yōu)化，研制了一系列性能優(yōu)良的磁性耐磨襯里。

目前北京礦冶研究總院研制的HM型磨機(jī)耐磨磁性襯里不僅在包鋼、鞍鋼、中鋼等大型鐵磁性礦山得到了成功應(yīng)用，也在典型的非磁性礦如大姚銅礦等有色礦山應(yīng)用成功，還為金屬礦山新型立式超細(xì)磨機(jī)研究研究配套了磁性橡膠耐磨襯里，壽命可以達(dá)到普通高錳鋼襯里的3～8倍，為礦山選廠節(jié)能降耗、提高裝備水平、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度做出了一定貢獻(xiàn)。

2 國(guó)內(nèi)外概況

在上世紀(jì)70年代，美國(guó)和挪威有人提出了用磁性襯里保護(hù)球磨機(jī)筒體和溜槽表面不被磨損的創(chuàng)意。1980年瑞典Skega公司的Bertil Brandt申請(qǐng)了專利，提出了較實(shí)用的磁性襯里結(jié)構(gòu)[3]。這些結(jié)構(gòu)的磁系設(shè)計(jì)基本相同，不同之處在于襯里的外形。

加拿大諾蘭達(dá)礦山公司，1981年在Horne選廠一臺(tái)Φ2.1×3.66m的磨機(jī)筒體部分安裝了橡膠磁性襯里，試驗(yàn)一個(gè)月后，檢查發(fā)現(xiàn)襯里的表面都覆蓋了一層保護(hù)層，使用情況較理想，后來(lái)又進(jìn)行了試驗(yàn)和改進(jìn)。1983年，加拿大十五屆選礦會(huì)議介紹了該磨機(jī)磁性襯里的試驗(yàn)和應(yīng)用情況。

1981年，瑞典Trelleborg公司在Kirana鐵礦選廠的一臺(tái)Φ5.9m×7.7m二段礫磨機(jī)上安裝了橡膠磁性襯里進(jìn)行試驗(yàn)，考察結(jié)果表明:礫石耗量降低30%，能耗降低11.4%，運(yùn)轉(zhuǎn)5000h沒(méi)有明顯磨損。

由于國(guó)外磨機(jī)的合金襯里和橡膠襯里壽命也比較長(zhǎng)，所以磁性襯里的研究和推廣應(yīng)用相對(duì)發(fā)展緩慢。

國(guó)內(nèi)八十年代開始對(duì)磁性襯里進(jìn)行研制。1987年，北京礦冶研究總院開始磁性襯里的研究，研制成功了橡膠－金屬磁性襯里，在1992年通過(guò)有色金屬工業(yè)總公司的鑒定。1997年，北京礦冶研究總院為包鋼選廠 Φ3.6×6.0 m 溢流型球磨機(jī)[4]研制配套的HM型全套磁性襯里，使用效果理想，使磁性襯里的研究取得了突破性進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了磨機(jī)襯里的全部磁性化，被評(píng)為國(guó)家重點(diǎn)推廣產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)還有沈陽(yáng)光大科技研究所、長(zhǎng)沙礦冶研究院等單位也進(jìn)行了磁性襯里的研究。

目前國(guó)內(nèi)磁性襯里在礦山選廠的二段、三段磨機(jī)上的使用正處于黃金推廣期，因?yàn)榈谝慌判砸r里的使用周期已經(jīng)結(jié)束，它的卓越效果得到了礦山的充分認(rèn)可，正在成批的取代錳鋼襯里。

3 耐磨磁性襯里的機(jī)理研究

3.1 介質(zhì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析

介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)主要受裝入量以及介質(zhì)的形狀、尺寸、配比和磨機(jī)轉(zhuǎn)速、襯里形式、磨機(jī)內(nèi)物料量以及流變特性等因素制約。

介質(zhì)充填率:

其中:h－磨機(jī)中心至料位平面高度，R－磨機(jī)半徑。

磨機(jī)轉(zhuǎn)速較低，介質(zhì)充填率較小時(shí)，介質(zhì)提升到一定高度后，負(fù)荷的傾角超過(guò)介質(zhì)在負(fù)荷表面上的自然休止角時(shí)，介質(zhì)沿負(fù)荷的傾斜面在重力作用下滾落，為瀉落式運(yùn)動(dòng)。此時(shí)物料在介質(zhì)間受到磨剝作用為主，二段磨礦和三段磨礦以這種方式實(shí)現(xiàn)物料的細(xì)磨。

磨機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，截至被提升到更高的高度，脫離筒體圓形軌道，以一定的速度成拋物線下落。截至在下落區(qū)強(qiáng)烈翻滾撞擊，此時(shí)物料受介質(zhì)的沖擊為主，磨剝?yōu)檩o，多用于一段磨的粗磨。

3.2 襯里的破壞和磨損

磨機(jī)襯里與物料和介質(zhì)的接觸發(fā)生在兩個(gè)方面。當(dāng)襯里進(jìn)入運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)負(fù)荷下面時(shí)，介質(zhì)沿負(fù)荷傾斜面滾落或拋落(一段磨)到襯里上，造成對(duì)襯里的沖擊，同時(shí)介質(zhì)帶有一定的初速度，自身的轉(zhuǎn)動(dòng)等，與襯里發(fā)生劇烈的摩擦作用，造成對(duì)襯里的破壞和磨損，這是襯里破壞的主要原因。另外在介質(zhì)的提升過(guò)程中，介質(zhì)與襯里之間也會(huì)有相對(duì)的位移，造成襯里的磨粒磨損，襯里和介質(zhì)的形狀對(duì)該部分磨損有一定影響。

二段磨礦的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為瀉落式，介質(zhì)從高點(diǎn)到負(fù)荷底部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主要沿負(fù)荷斜面滾落，除了受自身的重力和還受到介質(zhì)傾斜面上介質(zhì)層的摩擦阻力，當(dāng)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)到負(fù)荷底部時(shí)，沖擊力和動(dòng)能都大大減小，所以對(duì)襯里造成的沖擊很小，實(shí)踐也證明了二段磨襯里的破壞形式主要是磨損。

3.3 磁性襯里磁場(chǎng)特性的數(shù)值模擬

磁性耐磨襯里有耐磨材料和磁性材料組合而成，是靠磁力在襯里工作面吸附一層磁性物質(zhì)，形成耐磨保護(hù)層，減少襯里工作面與運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)和物料直接接觸，從而達(dá)到減輕磨損、延長(zhǎng)襯里壽命的目的[5]。

采用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)數(shù)值模擬軟件可以對(duì)磁性襯里的磁場(chǎng)特性進(jìn)行精確分析，COMSOL Multiphysics是以有限元法為基礎(chǔ)，通過(guò)求解偏微分方程(單場(chǎng))或偏微分方程組(多場(chǎng))來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真軟件。

以襯里殼體表面為0基點(diǎn)，讀取0～100mm的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。得到以下云圖，磁場(chǎng)衰減過(guò)程均勻，與實(shí)驗(yàn)室用特斯拉計(jì)所測(cè)結(jié)果接近。

圖2 圓周方向云圖分布

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比后確定的磁系結(jié)構(gòu)具有以下特性:

(1)磁場(chǎng)強(qiáng)度大:采用高性能磁性材料，多極布置，襯里安裝后能形成封閉的磁路，磁路磁阻和磁通分布均勻，進(jìn)一步增強(qiáng)了磁場(chǎng)強(qiáng)度，使襯里安裝可靠度高，保護(hù)層堅(jiān)固不易脫落;

(2)磁場(chǎng)梯度高:采用小極距、高梯度的磁系設(shè)計(jì)，使磁極表面的磁場(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);

(3)礦漿不會(huì)被磁化: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。

4 耐磨磁性襯里的應(yīng)用

4.1 在磁性礦的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某大型鐵－稀土選礦廠，有10個(gè)選礦系列，年處理原礦石能力達(dá)到1200萬(wàn)t，年生產(chǎn)稀土精礦7.5萬(wàn)t，擴(kuò)建的西礦年處理原礦1000萬(wàn)t，目前已成為世界上數(shù)一數(shù)二的大型選礦廠。選礦廠的原礦石大多采自白云鄂博，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?gòu)?qiáng)磁性礦物，比磁化率x=6300～12000m3/kg，該礦石條件為磁性襯里的成功應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

在選廠的六系列二次Φ3.6m×6.0m球磨機(jī)上使用了HM型磁性襯里(包括筒體襯里和端襯里)，運(yùn)行結(jié)果令人滿意。圖4為該磨機(jī)內(nèi)部的照片，可以看出襯里表面吸附的保護(hù)層非常均勻。

圖3 使用磁性襯里的球磨機(jī)排礦端內(nèi)貌

使用磁性襯里和錳鋼襯里的選礦工藝指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 使用磁性襯里和錳鋼襯里的選礦工藝指標(biāo)對(duì)比

據(jù)考察，筒體磁性襯里的壽命達(dá)到了8年，為原使用的高錳鋼襯里的6～8倍，同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn):磨機(jī)作業(yè)率提高3.14%，不需維護(hù);磨機(jī)容積增大，磨機(jī)處理能力提高3.16%;對(duì)磨礦產(chǎn)品粒度、磁選精礦品位和回收率等選礦指標(biāo)無(wú)不良影響;重量輕、單塊尺寸小、安裝方便、節(jié)電、噪音低、降低選礦成本。

4.2 在非磁性礦山的應(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[6]，原礦中不含磁性礦物，多元素分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原礦多元素分析結(jié)果

由于該礦的礦石硬度大，采用四段磨礦加分段浮選的流程。原礦經(jīng)過(guò)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－200目100%時(shí)在進(jìn)行三次精選。該選礦流程的設(shè)計(jì)有利于調(diào)整各段選礦的藥劑，分別提高銅金屬的回收率和伴生銀的回收率。

在該選廠的二段和三段球磨機(jī)上，使用了北京礦冶研究總院HM－FC新型耐磨磁性襯里[7]，該耐磨襯里是針對(duì)該礦礦石性質(zhì)特點(diǎn)和工藝條件研制的，強(qiáng)化了局部的吸附強(qiáng)度，雖然不含磁性礦物，但襯里表面吸附的介質(zhì)保護(hù)層也非常均勻堅(jiān)固，否定了其前認(rèn)為該礦用磁性襯里效果不如橡膠襯里的結(jié)論[8]。該選廠曾在2003年對(duì)其使用過(guò)的錳鋼襯里、磁性襯里、橡膠襯里進(jìn)行了較系統(tǒng)的考察，其原先使用的磁性襯里產(chǎn)品壽命不理想?，F(xiàn)在該礦使用HM－FC新型耐磨磁性襯里，壽命為原錳鋼襯里的3～5倍。由于其原礦中不含磁性鐵，受磁性襯里工作原理制約，磁性襯里在該礦的壽命必然低于銅陵系的含鐵銅礦，但與高錳鋼襯里相比已非常優(yōu)越。

4.3 在立式超細(xì)磨機(jī)上的應(yīng)用

磁性耐磨襯里不管是應(yīng)用于磁性礦還是非磁性礦，在金屬礦山大多用于臥式球磨機(jī)，這是由礦山的選礦工藝技術(shù)條件制約造成的。

近年來(lái)，隨著優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源趨于枯竭，貧、細(xì)、雜難處理礦石的開采量大增，新建選礦項(xiàng)目的規(guī)模頻創(chuàng)新高，有的甚至高達(dá)10萬(wàn)噸，因此礦石的再磨細(xì)磨工藝技術(shù)日益受到重視。傳統(tǒng)的臥式球磨受其結(jié)構(gòu)形式及工作機(jī)理的局限，在礦物的細(xì)磨作業(yè)中效率低下、能耗高，這使高效的立式細(xì)磨設(shè)備在金屬礦山的應(yīng)用需求越來(lái)越大[9]。

臥式球磨機(jī)是靠筒體轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)筒體內(nèi)的磨礦介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而立磨機(jī)則是筒體固定，由電機(jī)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌裝置，攪動(dòng)介質(zhì)和礦漿，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦物的沖擊、剪切和研磨作用，其能量的利用效率要高于傳統(tǒng)的臥式球磨機(jī)[10]。立磨機(jī)中通常采用3～10mm的球形介質(zhì)，硬度一般比被磨物料大，介質(zhì)在筒體內(nèi)的高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)筒壁造成了劇烈的沖擊與磨損，因此對(duì)筒壁的耐磨層要求很高。目前筒體耐磨襯里的材料一般采用聚氨酯、剛玉、碳化硅等，壽命短且更換麻煩，給選廠的正常生產(chǎn)造成很大影響，也制約了大型立式細(xì)磨設(shè)備的發(fā)展和普及。

針對(duì)立磨機(jī)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)和筒壁磨損方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和分析，北京礦冶研究總院為此研制了HM－LM立磨機(jī)專用橡膠耐磨磁性襯里，目前已經(jīng)應(yīng)用于新開發(fā)的大型立式螺旋攪拌磨機(jī)上，將徹底改變目前的筒體襯里材料靠自身性能來(lái)對(duì)抗磨損的機(jī)理。HM－LM耐磨磁性襯里原理同與一般臥式球磨機(jī)磁性襯里，不同之處在于根據(jù)立磨機(jī)的工作原理，弱化了抗沖擊性能，強(qiáng)化了耐腐蝕性能，從而也使該耐磨襯里比臥式球磨機(jī)磁性襯里要輕、薄很多，拆裝更方便，壽命預(yù)計(jì)可以達(dá)到三年以上，更換可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，圖4為安裝HM－LM橡膠耐磨磁性襯里的北礦院大型立磨機(jī)。

圖4 安裝HM－LM耐磨磁性襯里的立磨機(jī)

5 結(jié)語(yǔ)

(1)磁性耐磨襯里已經(jīng)廣泛應(yīng)用于磨礦行業(yè)的傳統(tǒng)臥式球磨機(jī)，應(yīng)用效果顯著;

(2)HM型磁性耐磨襯里在磁性礦物磨礦領(lǐng)域的壽命可以達(dá)到高錳鋼襯里的6～8倍，具有不需維護(hù)、提高作業(yè)率、對(duì)選礦指標(biāo)無(wú)不良影響、重量輕、節(jié)電、安裝方便、噪音低、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省選礦成本的優(yōu)點(diǎn);

(3)HM－FC型磁性耐磨襯里在非磁性礦物磨礦領(lǐng)域的壽命也可以達(dá)到高錳鋼襯里的3～5倍，同時(shí)具有磁性襯里的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn);

(4)HM－LM立磨機(jī)專用橡膠耐磨磁性襯里已經(jīng)用于大型高效立式磨機(jī)，具有壽命長(zhǎng)、重量輕、無(wú)污染、更換方便的優(yōu)點(diǎn)。

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