球磨機(jī)襯板磨損對(duì)物料研磨效果的影響研究

張志勇，劉云峰，符惜煒，楊柳松

1中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

2洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

3智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

襯板是球磨機(jī)的重要組成部分，是保證球磨機(jī)正常工作的關(guān)鍵部件之一。由于球磨機(jī)襯板的工作環(huán)境十分惡劣，且工況復(fù)雜多變，因此球磨機(jī)襯板磨損是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，涉及的因素非常多[1]。球磨機(jī)在工作時(shí)，安裝在筒體內(nèi)表面的襯板不僅要承受研磨介質(zhì)的沖擊、研磨，還要承受礦漿腐蝕帶來(lái)的損耗。因此，在保證球磨機(jī)正常工作的條件下，如何減少筒體襯板的磨損，增加筒體襯板的使用時(shí)間，為企業(yè)提質(zhì)增效，就成了一個(gè)重要的研究方向。

當(dāng)前，不少企業(yè)、高校從各個(gè)不同方向上對(duì)球磨機(jī)襯板的材料性能、磨損機(jī)理、結(jié)構(gòu)以及使用參數(shù)等開(kāi)展研究，取得了不少的成果。滿達(dá)虎等人[2]研究了不同的沖擊功數(shù)值對(duì)球磨機(jī)襯板沖擊腐蝕性能的影響，得到了沖擊功對(duì)材料的沖擊腐蝕機(jī)理有重要影響的結(jié)論；趙亮等人[3]研究了球磨機(jī)襯板的形狀對(duì)設(shè)備工作效率的影響，得出不同的襯板形狀不僅會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)磨機(jī)的功率產(chǎn)生較大影響的結(jié)論；汪滋潤(rùn)等人[4]從耦合計(jì)算的角度，通過(guò) EDEM-FEM 的耦合，研究了球磨機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，襯板在研磨介質(zhì)作用下的應(yīng)力變化。

綜上可知，目前對(duì)于球磨機(jī)筒體襯板的研究大多數(shù)集中在了襯板的本身，無(wú)論是對(duì)襯板材料的性能提升研究，還是對(duì)襯板截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究皆是如此。沒(méi)有人研究在筒體襯板不同的磨損階段，礦石物料被研磨的效果是如何變化的，對(duì)球磨機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行功率有何影響，以及如何確定筒體襯板需更換的臨界時(shí)間點(diǎn)等。筆者詳細(xì)研究了在球磨機(jī)筒體襯板不同的磨損階段，球磨機(jī)一些關(guān)鍵指標(biāo)的變化規(guī)律，增加對(duì)球磨機(jī)運(yùn)行機(jī)理的了解。

1 球磨機(jī)筒體襯板磨損規(guī)律及計(jì)算模型說(shuō)明

球磨機(jī)筒體襯板在工作時(shí)，隨著使用時(shí)間的增加，其磨損具有一定的規(guī)律性。因此，為了準(zhǔn)確計(jì)算球磨機(jī)內(nèi)研磨介質(zhì)在筒體襯板不同的磨損階段，其運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，就需要對(duì)筒體襯板在整個(gè)工作周期內(nèi)不同階段的磨損情況進(jìn)行跟蹤研究。基于這種研究思路，筆者采用三維激光掃描儀，對(duì)球磨機(jī)筒體襯板不同的磨損階段進(jìn)行三維掃描，得到不同階段筒體襯板磨損的擬合截面如圖1 所示。

圖1 球磨機(jī)筒體襯板不同磨損階段截面Fig.1 Sections of different wear stages of shell liner for ball mill

按照?qǐng)D1 實(shí)測(cè)的襯板磨損截面，進(jìn)行計(jì)算模型的三維造型，共得到球磨機(jī)筒體襯板的 7 種計(jì)算磨損模型。由于球磨機(jī)筒體襯板在筒體內(nèi)的分布規(guī)律是完全一致的，因此為了縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，在進(jìn)行球磨機(jī)計(jì)算模型三維造型時(shí)，只取 1 000 mm長(zhǎng)的一段筒體作為研究對(duì)象[5]，通過(guò)設(shè)置“周期性邊界條件”來(lái)模擬其余筒體的影響。

2 計(jì)算條件

需要說(shuō)明的是，筆者所列的計(jì)算條件分為磨機(jī)模型與運(yùn)行參數(shù)條件和 EDEM 軟件計(jì)算需要設(shè)置的條件。

磨機(jī)模型與運(yùn)行參數(shù)條件的具體數(shù)值如表1、2所列。在離散元 EDEM 軟件中，常需要設(shè)置的參數(shù)包含：研磨介質(zhì)的泊松比、剪切模量、密度、介質(zhì)與介質(zhì)之間的動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)、恢復(fù)系數(shù)等，具體數(shù)值如表3 所列。對(duì)于計(jì)算中出現(xiàn)的不同材料，都需要在計(jì)算之前對(duì)材料性能參數(shù)做出說(shuō)明。這里由于磨機(jī)筒體和研磨介質(zhì)所用的材料一樣，所以材料參數(shù)只列出一種。

表1 球磨機(jī)尺寸參數(shù)Tab.1 Size parameters of ball mill

表2 研磨介質(zhì)級(jí)配參數(shù)Tab.2 Gradation parameters of grinding medium

表3 EDEM 分析需要設(shè)置的條件Tab.3 Conditions to be set for EDEM analysis

3 研究結(jié)果分析

按照上述計(jì)算條件，分別對(duì)球磨機(jī)筒體內(nèi)研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究計(jì)算，得到了球磨機(jī)在筒體襯板的不同磨損情況下，內(nèi)部研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。要研究襯板的磨損變化對(duì)球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，還需要對(duì)這些計(jì)算數(shù)據(jù)一一進(jìn)行分析。筆者將從球磨機(jī)內(nèi)研磨介質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行功率、高速研磨介質(zhì)所占比例等方面開(kāi)展數(shù)據(jù)分析。

3.1 筒體襯板不同的磨損狀態(tài)對(duì)球磨機(jī)宏觀狀態(tài)影響

通過(guò)將 7 種不同磨損狀態(tài)下的筒體襯板內(nèi)研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：球磨機(jī)筒體襯板的磨損狀態(tài)對(duì)設(shè)備內(nèi)研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響很大，如圖2 所示。

圖2 不同磨損工況計(jì)算對(duì)比Fig.2 Comparison of calculation for different wear conditions

由圖2 可知，隨著筒體襯板磨損量加大，宏觀上可見(jiàn)的襯板帶料能力下降很快，球磨機(jī)內(nèi)的研磨介質(zhì)由開(kāi)始的被拋起狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)。這一點(diǎn)也可以從不同工況下，研磨介質(zhì)被提升的最大高度值的變化中看到。將上述 7 種工況下研磨介質(zhì)被提升的最大高度值 (筒體中心以上) 輸出，具體結(jié)果及變化曲線如表4、圖3 所示。

圖3 球磨機(jī)內(nèi)物料提升高度 (筒體中心以上) 變化曲線Fig.3 Change curve of material lifting height (above the center of shell) inside ball mill

表4 不同工況下球磨機(jī)內(nèi)物料提升高度 (筒體中心以上)Tab.4 Lifting height of materials inside ball mill under different working conditions (above the center of shell)

由圖3 可以看出，在筒體襯板的磨損過(guò)程中，研磨介質(zhì)被提升的最大高度值一直處于下降狀態(tài)，這和圖2 所展示的結(jié)果是一致的。但由于球磨機(jī)內(nèi)物料的研磨主要依靠的是研磨介質(zhì)之間的相互滑動(dòng)，因此不能簡(jiǎn)單地以此判斷球磨機(jī)的研磨能力處于下降狀態(tài)，還需通過(guò)其他具體數(shù)據(jù)指標(biāo)綜合判斷。

3.2 筒體襯板不同的磨損狀態(tài)對(duì)運(yùn)行功率的影響

研究球磨機(jī)筒體襯板磨損對(duì)物料研磨能力的影響，還可以從設(shè)備的運(yùn)行功率上進(jìn)行分析。運(yùn)行功率的變化直接反映了設(shè)備對(duì)物料輸出能量上的變化，也就說(shuō)明了球磨機(jī)對(duì)物料研磨能力的變化?；诖朔N分析思路，輸出 7 種不同磨損工況下的設(shè)備運(yùn)行功率，具體計(jì)算數(shù)值如表5 所列。需要說(shuō)明的是，表5 中的運(yùn)行功率數(shù)值已經(jīng)按照實(shí)際球磨機(jī)長(zhǎng)度等比例擴(kuò)大。

表5 不同工況下設(shè)備的運(yùn)行功率Tab.5 Operating power of equipment under different working conditions

對(duì)表5 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到了球磨機(jī)計(jì)算運(yùn)行功率隨筒體襯板磨損程度的變化曲線，如圖4所示。

圖4 球磨機(jī)計(jì)算運(yùn)行功率隨筒體襯板磨損程度的變化曲線Fig.4 Change curve of calculated operating power of ball mill with wear degree of shell liner

由圖4 可以看出，隨著球磨機(jī)筒體襯板的磨損，整體設(shè)備的運(yùn)行功率在逐漸下降。當(dāng)襯板磨損到一定程度后 (如圖4 中的工況 5)，球磨機(jī)運(yùn)行功率會(huì)隨著磨損量增加急劇下降。這說(shuō)明設(shè)備內(nèi)的輸入能量從此處開(kāi)始處于一個(gè)快速下降的狀態(tài)，由于設(shè)備的固有機(jī)械消耗功率在運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定，也就說(shuō)明從此處開(kāi)始，球磨機(jī)內(nèi)的物料研磨效率下降速度加快。這對(duì)于監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有益，提示從此時(shí)開(kāi)始需要關(guān)注設(shè)備的筒體襯板磨損，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況考慮筒體襯板的更換時(shí)機(jī)。

3.3 筒體襯板的磨損狀態(tài)對(duì)研磨效果的影響

由3.2 可知，隨著球磨機(jī)筒體襯板的磨損，設(shè)備的運(yùn)行功率在某一時(shí)刻快速下降，間接提示了設(shè)備內(nèi)研磨效率在下降。但這也只是從宏觀輸入功率方面反映出來(lái)的設(shè)備內(nèi)研磨情況的整體變化，而每一磨損階段產(chǎn)生的具體變化，還需要從其他方面具體分析。

球磨機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，研磨介質(zhì)相互間滑動(dòng)越劇烈，研磨作用就越強(qiáng)。因此，球磨機(jī)內(nèi)高速滑動(dòng)的介質(zhì)粒子所占比例大小，能反映出球磨機(jī)內(nèi)研磨作用的變化。根據(jù)球磨機(jī)實(shí)際研磨情況，這里定義滑動(dòng)速度大于 1.5 m/s 的研磨介質(zhì)為高速滑動(dòng)介質(zhì)?；谶@種研究思路，輸出 7 種不同襯板磨損工況下高速介質(zhì)所占比例數(shù)值，結(jié)果及變化曲線如表6、圖5 所示。

圖5 球磨機(jī)內(nèi)高速研磨介質(zhì)占比變化曲線Fig.5 Change curve of proportion of high-speed grinding medium inside ball mill

表6 不同工況下球磨機(jī)內(nèi)高速研磨介質(zhì)占比Tab.6 Proportion of high-speed grinding medium inside ball mill under different working conditions

由圖5 可知，球磨機(jī)筒體襯板由工況 1 磨損到工況 2，雖然襯板磨損量比較大，但計(jì)算域內(nèi)高速研磨介質(zhì)的比例數(shù)值幾乎沒(méi)有變化；而由工況 2 磨損到工況 3，計(jì)算域內(nèi)高速研磨介質(zhì)的比例數(shù)值突然加速下降。結(jié)合圖1 中球磨機(jī)筒體襯板磨損截面圖可以發(fā)現(xiàn)，從工況 1 到工況 2，雖然襯板的磨損量很大，但磨去的材料僅是襯板提升條的一側(cè)凸起，襯板提升條的凸起高度并沒(méi)有變化；而由工況 2 到工況 3，隨著磨損量的加大，襯板提升條的凸起高度開(kāi)始下降，由此導(dǎo)致了球磨機(jī)內(nèi)高速研磨介質(zhì)的比例數(shù)值突然下降。這些現(xiàn)象說(shuō)明，影響球磨機(jī)內(nèi)高速研磨介質(zhì)所占比例的關(guān)鍵因素是筒體襯板提升條的凸起高度。一旦襯板提升條凸起高度因磨損開(kāi)始產(chǎn)生變化，球磨機(jī)內(nèi)高速研磨介質(zhì)所占比例的下降速度基本保持一個(gè)數(shù)值，持續(xù)下降。

4 結(jié)論

通過(guò)研究球磨機(jī)筒體襯板磨損的過(guò)程中，研磨介質(zhì)被提升的高度、運(yùn)行功率及高速研磨介質(zhì)所占比例的變化，得到了如下結(jié)論：

(1) 在球磨機(jī)筒體襯板的磨損過(guò)程中，研磨介質(zhì)被提升的最大高度值一直處于下降狀態(tài)；

(2) 隨著球磨機(jī)筒體襯板的磨損，設(shè)備的運(yùn)行功率逐漸下降，當(dāng)襯板磨損到一定程度后，球磨機(jī)運(yùn)行功率會(huì)加速下降，這對(duì)于監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是有益的；

(3) 球磨機(jī)內(nèi)高速研磨介質(zhì)所占比例的關(guān)鍵影響因素是筒體襯板提升條的凸起高度。