半自磨機筒體襯板結(jié)構(gòu)的模擬優(yōu)化研究

劉建平

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

礦物磨機是磨礦的核心裝備，具有處理量大、作業(yè)率高、適應(yīng)性強等優(yōu)點，其生產(chǎn)能力是衡量國家裝備制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。襯板作為礦物磨機的關(guān)鍵零部件，主要作用是保護(hù)磨機筒體，使筒體免受磨礦介質(zhì)和物料的直接沖擊和磨損，同時提升物料和磨礦介質(zhì)，使其在磨機筒體內(nèi)部的運動軌跡符合設(shè)計要求，達(dá)到磨礦介質(zhì)對物料的粉碎和研磨作用最大的目的[1-3]。隨著礦物磨機向大型化、高效能方向發(fā)展，尤其是越來越多大型礦物（半）自磨機在現(xiàn)場投入使用，國內(nèi)礦物磨機襯板每年消耗量約為40 萬 t，合計約50 億～60 億元人民幣；同時因襯板磨損過快造成磨機停機頻繁，給礦山帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。礦物磨機襯板研制涉及材料學(xué)、機械設(shè)計與制造、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等多專業(yè)學(xué)科，加之磨礦介質(zhì)運動軌跡復(fù)雜，襯板使用工況惡劣，長期承受高沖擊、高磨損，設(shè)計難度大。筆者致力于半自磨機筒體襯板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬優(yōu)化研究，旨在提高磨機處理能力，延長襯板使用壽命，達(dá)到提高礦物磨機生產(chǎn)效率的目的[4-6]。

1 筒體襯板結(jié)構(gòu)模擬方法

半自磨機中磨礦介質(zhì)及物料可視為離散顆粒的組合。對于數(shù)值計算方法而言，如果把顆粒群視為一個整體，用連續(xù)介質(zhì)方法對其進(jìn)行研究，但由于顆粒介質(zhì)并不滿足連續(xù)性假設(shè)，因而無法分析每個顆粒的運動以及顆粒與顆粒之間的接觸作用，不能很好地解決顆粒運動軌跡分析的問題[7-8]。

離散單元法是把顆粒群簡化成具有一定形狀和質(zhì)量的顆粒集合，集合中包括若干單獨的顆粒，通過計算某時刻各單獨顆粒間接觸和分離時產(chǎn)生的相互作用力，用牛頓第二定律建立運動方程，確定各顆粒單元的新位移。目前，離散單元法已成為研究散粒動力學(xué)問題的一種通用方法，在粉磨研究領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用。如 Mishra 用離散元軟件研究了不同直徑球磨機的功率，N.Djordjevic 研究了球磨機的轉(zhuǎn)速對功率消耗的影響[9-10]。

筆者采用離散單元模擬方法，以φ3.2 m×2.1 m半自磨機為仿真模型，磨機轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速的 75%，磨礦介質(zhì)為φ50 mm 鋼球，磨機填充率為 28%。進(jìn)料端蓋周向布置18 排提升條，出料端格子板布置 18 排提升條，格子孔寬度60 mm，礦漿提升器沿周向布置18 排提升條。半自磨機仿真模型如圖1 所示。

圖1 半自磨機離散元仿真模型Fig.1 Discrete element simulation model of SAG mill

首先研究筒體襯板提升條排數(shù)對磨機效率的影響，因為筒體襯板提升條排數(shù)是影響磨機效率的最重要參數(shù)，也是確定筒體襯板結(jié)構(gòu)的首要參數(shù)，且決定了筒體襯板孔的開孔排數(shù)，一經(jīng)確定，后續(xù)無法修改；然后在合理布置筒體襯板提升條排數(shù)的基礎(chǔ)上，對筒體襯板的截面進(jìn)行研究，以達(dá)到筒體襯板壽命等同的目的；最后通過對襯板面角的研究，來達(dá)到同時兼顧提高磨機生產(chǎn)效率以及延長襯板使用壽命的效果。

2 筒體襯板提升條排數(shù)的優(yōu)化

磨礦介質(zhì)通過筒體襯板提升條的連續(xù)提升，實現(xiàn)對物料的破碎及粉磨作用。提升條沿筒體周向布置的排數(shù)對介質(zhì)運動規(guī)律有著重要的影響，進(jìn)而影響半自磨機的生產(chǎn)效率。對磨礦介質(zhì)在相同磨機轉(zhuǎn)速、不同筒體襯板提升條排數(shù)的運動狀況進(jìn)行離散元仿真分析，如圖2 所示。

圖2 8 排與 16 排筒體襯板磨礦介質(zhì)運行狀況Fig.2 Motion status of grinding media with 8 rows and 16 rows of shell liner

磨礦介質(zhì)在不同襯板提升條排數(shù)下的提升高度角比較如圖3 所示。

圖3 磨礦介質(zhì)在不同筒體襯板排數(shù)下的提升高度角Fig.3 Lifting height angle of grinding media with various number of row of shell liner

從圖3 可以看出，襯板提升條在8～20 排之間，磨礦介質(zhì)提升高度角隨排數(shù)的增加而提高，經(jīng)歷了從完全滑落狀態(tài)到部分滑落、部分拋落的狀態(tài)。提升條排數(shù)越多，對磨礦介質(zhì)的提升能力越大，提升的數(shù)量越多，高度越高，對物料的磨削作用也越強，磨機效率越高。提升條排數(shù)在20～28 排之間，磨礦介質(zhì)提升高度角隨排數(shù)的增加而減小，提升條排數(shù)越多，對磨礦介質(zhì)的提升能力反而越小，說明提升條排數(shù)的增加使提升條之間的間隔減小，磨礦介質(zhì)被間隔夾帶，數(shù)量隨之減少，提升能力下降，最終使磨礦介質(zhì)無法得到充分提升，提高的數(shù)量和高度反而減少，磨機效率降低。

綜上說明，襯板提升條在筒體周向數(shù)量的多少，對磨礦介質(zhì)的提升高度、拋落或滑落狀態(tài)有重要影響。在一定范圍內(nèi)，提升條排數(shù)越多，磨礦介質(zhì)被提升的數(shù)量越多，高度越高，磨機效率越高；但為了提高磨機效率而一味增加提升條排數(shù)卻不能達(dá)到良好的效果，如果排數(shù)布置過多，磨礦介質(zhì)提高的數(shù)量和高度反而減少，磨機效率反而會降低。因此，應(yīng)合理布置提升條在筒體周向上的排數(shù)，可根據(jù)相鄰2 個提升條的間距確定周向上的筒體提升條排數(shù)，半自磨機的相鄰提升條間距應(yīng)該控制在500～540 mm。

3 筒體襯板截面積的優(yōu)化

磨機筒體內(nèi)的磨礦介質(zhì)與物料運動特性復(fù)雜，筒體襯板長期承受高沖擊和高磨損，襯板壽命偏短。不同倉位筒體襯板的使用工況與磨損量有很大的不同，一般筒體襯板的截面積相同，導(dǎo)致不同倉位的筒體襯板壽命不等同，造成襯板材料浪費，磨機停機檢修時間增加，生產(chǎn)效率降低。為了解決筒體襯板壽命不等同的問題，對筒體襯板截面進(jìn)行優(yōu)化，對半自磨機不同倉位筒體襯板的工況以及磨損規(guī)律進(jìn)行分析。

半自磨機沿筒體周向布置20 排襯板提升條，通過離散單元法，分別對半自磨機筒體沿長度方向7 個位置的工況進(jìn)行仿真分析。這7 個截面的磨礦介質(zhì)運動情況如圖4 所示，料堆厚度變化情況如圖5 所示，磨礦介質(zhì)提升高度比較如圖6 所示。

圖4 沿筒體長度方向上7 個截面的磨礦介質(zhì)運動情況Fig.4 Motion status of grinding media on 7 sections along direction of shell length

圖5 筒體不同截面位置料堆厚度變化情況Fig.5 Variation of charge thickness at various section of shell

圖6 筒體不同截面位置磨礦介質(zhì)拋落角度變化情況Fig.6 Variation of falling angle of grinding media at various section of shell

從圖5、6 可以看出，靠近筒體出料端的料堆厚度較低，長度約占筒體有效磨礦長度的 1/6；靠近筒體出料端的磨礦介質(zhì)拋落角較高，對筒體襯板沖擊嚴(yán)重，并且由于出料端格子板提升條攪動帶起來的磨礦介質(zhì)拋落較多，對出料端筒體襯板的沖擊更為嚴(yán)重。

通過記錄各倉位筒體襯板的磨損數(shù)據(jù)，對比襯板的輪廓變化，得出襯板的磨損規(guī)律曲線如圖7 所示。

圖7 襯板磨損規(guī)律曲線Fig.7 Curve of liner wear law

根據(jù)襯板磨損速率的不同，將襯板整個壽命周期分為4 個磨損階段，V1、V2、V3、V4分別為各階段襯板磨損速率，

式中：C為各階段磨損掉的襯板厚度，mm；D為各階段襯板的處理量，萬 t。

A1、A2、A3、A4分別為各磨損階段占襯板整個壽命周期的比例。

式中：L1為襯板有效厚度，L1=設(shè)計尺寸-失效尺寸，mm；E為目標(biāo)處理量，萬 t。

通過對磨機不同倉位筒體襯板的磨損規(guī)律進(jìn)行分析，將筒體襯板設(shè)計成不同的截面，出料端筒體襯板的提升條高度與寬度均增加，截面積大于進(jìn)料端筒體襯板，以保證襯板壽命等同，實現(xiàn)襯板同步更換，提高了襯板材料利用率與磨機效率。

4 筒體襯板面角的優(yōu)化

筒體襯板面角是指襯板提升條輪廓線與襯板中心線之間的夾角，是影響磨機效率的重要參數(shù)。目前筒體襯板均采用等面角設(shè)計，不能兼顧磨機處理能力與襯板壽命2 個重要指標(biāo)。通過對筒體襯板面角的研究，提出筒體襯板變面角的設(shè)計方法，達(dá)到磨機處理能力與襯板壽命兼顧的使用效果。

對筒體襯板面角分別為 24°、28°時的磨機處理能力以及襯板磨損量進(jìn)行對比，如圖8、9 所示。

圖8 面角對磨機處理能力的影響Fig.8 Influence of face angle on mill throughput

圖9 面角對襯板壽命的影響Fig.9 Influence of face angle on liner lifespan

從圖 8、9 可以看出，筒體襯板面角為 28°時，磨機處理能力比面角為 24°時高20% 以上，但是面角為 28°時，筒體襯板的磨損量比面角 24°時高，尤其是在襯板壽命后期，磨損量高 50%。所以面角 28°的筒體襯板在磨機效率上優(yōu)于面角 24°筒體襯板，但是在使用壽命上卻低于面角 24°的筒體襯板。

為了保留 28°筒體襯板磨礦效率高的優(yōu)勢，同時為了提高 28°面角筒體襯板的使用壽命，設(shè)計出了變面角的筒體襯板結(jié)構(gòu)，即筒體襯板截面頂部面角按28°設(shè)計，下部面角按 20°設(shè)計。28°/20°變面角結(jié)構(gòu)筒體襯板與 28°面角筒體襯板的磨機處理能力和襯板磨損量比較如圖10、11 所示。

圖10 變面角結(jié)構(gòu)對磨機處理能力的影響Fig.10 Influence of structure of variable face angle on mill throughput

圖11 變面角結(jié)構(gòu)對襯板壽命的影響Fig.11 Influence of structure of variable face angle on liner lifespan

從圖 10、11 可以看出，28°/20°變面角結(jié)構(gòu)筒體襯板的磨機處理能力與 28°面角的磨機處理能力基本持平，但是 28°/20°變面角結(jié)構(gòu)筒體襯板的磨損量比面角 28°筒體襯板的磨損量低，尤其在襯板壽命后期，磨損量低達(dá) 25%。所以 28°/20°變面角的筒體襯板在保證磨機效率的前提下，提高了襯板使用壽命。

5 結(jié)論

通過以上研究得出，半自磨機筒體襯板在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要兼顧生產(chǎn)效率與襯板的使用壽命這2 個重要指標(biāo)。

（1）筒體襯板提升條的排數(shù)對磨機的生產(chǎn)效率有重要影響，應(yīng)合理布置筒體襯板提升條在筒體周向上的排數(shù)，半自磨機的相鄰提升條間距應(yīng)在500～540 mm 之間。

（2）不同倉位的筒體襯板有不同的使用工況與磨損規(guī)律，為了提高筒體襯板總體使用壽命，在磨機長度方向上應(yīng)采用變截面設(shè)計，出料端筒體襯板的截面積應(yīng)大于進(jìn)料端筒體襯板的截面積，以實現(xiàn)襯板等壽命，減少襯板材料的浪費。

（3）筒體襯板面角對磨機生產(chǎn)效率與襯板壽命有著重要的影響，變面角的筒體襯板結(jié)構(gòu)能夠兼顧磨機效率高與襯板壽命長這2 個重要運行指標(biāo)，是筒體襯板設(shè)計的方向。