楊俊平，周宏喜，孫小旭

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

1 引言

近年來隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，綜合國力空前提高，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，這些都對礦產(chǎn)資源的發(fā)展提出了剛性需求。目前我國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。

一般來說，破碎、磨礦、分級作業(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)費用占選礦成本的50% ～70%，特別是電耗、鋼耗占整個選廠的70%～80% 。磨機(jī)襯里安裝在磨機(jī)筒體內(nèi)表面，用來保護(hù)筒體不被磨損，并影響磨礦介質(zhì)在筒體內(nèi)的運動形態(tài)，因此襯里的形狀和材質(zhì)歷來都是磨礦技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一[1]。

磁性耐磨襯里是靠磁場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動的磨礦介質(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，大大節(jié)約鋼耗，降低選礦成本，為礦山選廠帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[2]。

因此十幾年來，國內(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，北京礦冶研究總院根據(jù)各種礦石的特點，對臥式球磨機(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多物理場數(shù)值模擬軟件對磁系進(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、減輕工人勞動強(qiáng)度做出了一定貢獻(xiàn)。

2 國內(nèi)外概況

在上世紀(jì)70年代，美國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申請了專利，提出了較實用的磁性襯里結(jié)構(gòu)[3]。這些結(jié)構(gòu)的磁系設(shè)計基本相同，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Φ2.1×3.66m的磨機(jī)筒體部分安裝了橡膠磁性襯里，試驗一個月后，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，后來又進(jìn)行了試驗和改進(jìn)。1983年，加拿大十五屆選礦會議介紹了該磨機(jī)磁性襯里的試驗和應(yīng)用情況。

1981年，瑞典Trelleborg公司在Kirana鐵礦選廠的一臺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，考察結(jié)果表明:礫石耗量降低30%，能耗降低11.4%，運轉(zhuǎn)5000h沒有明顯磨損。

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

國內(nèi)八十年代開始對磁性襯里進(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，首次實現(xiàn)了磨機(jī)襯里的全部磁性化，被評為國家重點推廣產(chǎn)品。

國內(nèi)還有沈陽光大科技研究所、長沙礦冶研究院等單位也進(jìn)行了磁性襯里的研究。

目前國內(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，因為第一批磁性襯里的使用周期已經(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)運動形態(tài)分析

介質(zhì)在磨機(jī)內(nèi)的運動形態(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，介質(zhì)提升到一定高度后，負(fù)荷的傾角超過介質(zhì)在負(fù)荷表面上的自然休止角時，介質(zhì)沿負(fù)荷的傾斜面在重力作用下滾落，為瀉落式運動。此時物料在介質(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現(xiàn)物料的細(xì)磨。

磨機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，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)生在兩個方面。當(dāng)襯里進(jìn)入運動的介質(zhì)負(fù)荷下面時，介質(zhì)沿負(fù)荷傾斜面滾落或拋落(一段磨)到襯里上，造成對襯里的沖擊，同時介質(zhì)帶有一定的初速度，自身的轉(zhuǎn)動等，與襯里發(fā)生劇烈的摩擦作用，造成對襯里的破壞和磨損，這是襯里破壞的主要原因。另外在介質(zhì)的提升過程中，介質(zhì)與襯里之間也會有相對的位移，造成襯里的磨粒磨損，襯里和介質(zhì)的形狀對該部分磨損有一定影響。

二段磨礦的介質(zhì)運動狀態(tài)為瀉落式，介質(zhì)從高點到負(fù)荷底部運動過程中，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)運動到負(fù)荷底部時，沖擊力和動能都大大減小，所以對襯里造成的沖擊很小，實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動的介質(zhì)和物料直接接觸，從而達(dá)到減輕磨損、延長襯里壽命的目的[5]。

采用COMSOL Multiphysics多物理場數(shù)值模擬軟件可以對磁性襯里的磁場特性進(jìn)行精確分析，COMSOL Multiphysics是以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程(單場)或偏微分方程組(多場)來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真軟件。

以襯里殼體表面為0基點，讀取0～100mm的磁場數(shù)據(jù)。得到以下云圖，磁場衰減過程均勻，與實驗室用特斯拉計所測結(jié)果接近。

圖2 圓周方向云圖分布

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計對比后確定的磁系結(jié)構(gòu)具有以下特性:

(1)磁場強(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)了磁場強(qiáng)度，使襯里安裝可靠度高，保護(hù)層堅固不易脫落;

(2)磁場梯度高:采用小極距、高梯度的磁系設(shè)計，使磁極表面的磁場吸力大，而離開極面不遠(yuǎn)，磁場強(qiáng)度快速下降，高梯度的磁系設(shè)計使保護(hù)層既堅固又厚度適當(dāng);

(3)礦漿不會被磁化:高梯度磁場和保護(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強(qiáng)度幾乎為零，這樣礦漿就不會被磁化而影響后邊流程中的分級和選別。

4 耐磨磁性襯里的應(yīng)用

4.1 在磁性礦的應(yīng)用

國內(nèi)某大型鐵－稀土選礦廠，有10個選礦系列，年處理原礦石能力達(dá)到1200萬t，年生產(chǎn)稀土精礦7.5萬t，擴(kuò)建的西礦年處理原礦1000萬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%，屬強(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)對比見表1。

表1 使用磁性襯里和錳鋼襯里的選礦工藝指標(biāo)對比

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，同時具有以下優(yōu)點: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%;對磨礦產(chǎn)品粒度、磁選精礦品位和回收率等選礦指標(biāo)無不良影響;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，屬堅硬的長石、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%時在進(jìn)行三次精選。該選礦流程的設(shè)計有利于調(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]，該耐磨襯里是針對該礦礦石性質(zhì)特點和工藝條件研制的，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年對其使用過的錳鋼襯里、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。現(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，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，新建選礦項目的規(guī)模頻創(chuàng)新高，有的甚至高達(dá)10萬噸，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)用需求越來越大[9]。

臥式球磨機(jī)是靠筒體轉(zhuǎn)動從而帶動筒體內(nèi)的磨礦介質(zhì)運動，而立磨機(jī)則是筒體固定，由電機(jī)帶動高速旋轉(zhuǎn)的攪拌裝置，攪動介質(zhì)和礦漿，實現(xiàn)對礦物的沖擊、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)的高速運動，對筒壁造成了劇烈的沖擊與磨損，因此對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。

針對立磨機(jī)介質(zhì)運動形態(tài)和筒壁磨損方式進(jìn)行動態(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對抗磨損的機(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)計可以達(dá)到三年以上，更換可以在數(shù)小時內(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

(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、對選礦指標(biāo)無不良影響、重量輕、節(jié)電、安裝方便、噪音低、減輕工人勞動強(qiáng)度、節(jié)省選礦成本的優(yōu)點;

(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，同時具有磁性襯里的各項優(yōu)點;

(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、重量輕、無污染、更換方便的優(yōu)點。

[1]鄢富坤，肖慶飛，羅春梅.現(xiàn)階段我國磨礦設(shè)備的研究進(jìn)展及發(fā)展方向[J].礦產(chǎn)綜合利用，2013(2):23－25.

[2]韓麗鎖，梁澄浩.磁性襯板的研究與發(fā)展趨勢[J].工業(yè)設(shè)計.2012:051.

[3]楊俊平.HM型大型磨機(jī)磁性襯里研制和應(yīng)用[J].有色金屬(選礦部分).2002(3):29－32.

[4]葛俊波，吳井輝，張擎宇，等.Φ3.6m×6m節(jié)能磁性襯板球磨機(jī)的研制[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011(3):28－29.

[5]馮泉，趙騫，于忠淇，等.磁性襯板磁場強(qiáng)度對吸附層厚度影響的數(shù)值模擬[J].金屬礦山，2012(3):119－122.

[6]楊俊平.非磁性礦磁性襯里的研制與應(yīng)用[J].有色金屬(選礦部分).2010(2):38－40.

[7]李書文.錳鋼襯里、橡膠襯里、金屬磁性襯里的選用[J].礦山機(jī)械.2003(4):28－29.

[8]朱繼生.冬瓜山銅礦選礦技術(shù)攻關(guān)[J].中國鉬業(yè).2006(5):24－27.

[9]崔瑞，李茂林，王光輝.國內(nèi)外礦用攪拌磨的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].礦山機(jī)械，2012(12):4－10.

[10]盧世杰，韓登峰，周宏喜，等.立式螺旋磨礦技術(shù)在選礦中的發(fā)展與應(yīng)用[J].有色金屬:選礦部分，2011(B10):90－95.