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)濟的高速發(fā)展，綜合國力空前提高，基礎設施、民生工程的建設都達到前所未有的規(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% 。磨機襯里安裝在磨機筒體內(nèi)表面，用來保護筒體不被磨損，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用效果，它的壽命可以達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)濟效益和社會效益[2]。

因此十幾年來，國內(nèi)外都在進行耐磨磁性襯里的機理和應用研究。近幾年來，北京礦冶研究總院根據(jù)各種礦石的特點，對臥式球磨機和立式超細磨機的不同磨礦機理進行了充分研究，并對吸附層的組成和吸附條件進行模擬，應用最新的COMSOL Multiphysics多物理場數(shù)值模擬軟件對磁系進行優(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用，也在典型的非磁性礦如大姚銅礦等有色礦山應用成功，還為金屬礦山新型立式超細磨機研究研究配套了磁性橡膠耐磨襯里，壽命可以達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、減輕工人勞動強度做出了一定貢獻。

2 國內(nèi)外概況

在上世紀70年代，美國和挪威有人提出了用磁性襯里保護球磨機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構[3]。這些結構的磁系設計基本相同，不同之處在于襯里的外形。

加拿大諾蘭達礦山公司，1981年在Horne選廠一臺Φ2.1×3.66m的磨機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層，使用情況較理想，后來又進行了試驗和改進。1983年，加拿大十五屆選礦會議介紹了該磨機磁性襯里的試驗和應用情況。

1981年，瑞典Trelleborg公司在Kirana鐵礦選廠的一臺Φ5.9m×7.7m二段礫磨機上安裝了橡膠磁性襯里進行試驗，考察結果表明: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用相對發(fā)展緩慢。

國內(nèi)八十年代開始對磁性襯里進行研制。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[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展，首次實現(xiàn)了磨機襯里的全部磁性化，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)結束，它的卓越效果得到了礦山的充分認可，正在成批的取代錳鋼襯里。

3 耐磨磁性襯里的機理研究

3.1 介質(zhì)運動形態(tài)分析

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

介質(zhì)充填率:

其中:h－磨機中心至料位平面高度，R－磨機半徑。

磨機轉(zhuǎn)速較低，介質(zhì)充填率較小時，介質(zhì)提升到一定高度后，負荷的傾角超過介質(zhì)在負荷表面上的自然休止角時，介質(zhì)沿負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)物料的細磨。

磨機轉(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

磨機襯里與物料和介質(zhì)的接觸發(fā)生在兩個方面。當襯里進入運動的介質(zhì)負荷下面時，介質(zhì)沿負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)從高點到負荷底部運動過程中，主要沿負荷斜面滾落，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，當介質(zhì)運動到負荷底部時，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行精確分析，COMSOL Multiphysics是以有限元法為基礎，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果接近。

圖2 圓周方向云圖分布

經(jīng)過優(yōu)化設計對比后確定的磁系結構具有以下特性:

(1)磁場強度大: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，進一步增強了磁場強度，使襯里安裝可靠度高，保護層堅固不易脫落;

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

(3)礦漿不會被磁化:高梯度磁場和保護層內(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 耐磨磁性襯里的應用

4.1 在磁性礦的應用

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到1200萬t，年生產(chǎn)稀土精礦7.5萬t，擴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)高溫熱液交代型多金屬共生礦床，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用提供了良好的基礎。

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

圖3 使用磁性襯里的球磨機排礦端內(nèi)貌

使用磁性襯里和錳鋼襯里的選礦工藝指標對比見表1。

表1 使用磁性襯里和錳鋼襯里的選礦工藝指標對比

據(jù)考察，筒體磁性襯里的壽命達到了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:磨機作業(yè)率提高3.14%，不需維護;磨機容積增大，磨機處理能力提高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、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，多元素分析結果見表2。

表2 原礦多元素分析結果

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，粗選的精礦進行第四段再磨，磨礦粒度達到－200目100%時在進行三次精選。該選礦流程的設計有利于調(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，強化了局部的吸附強度，雖然不含磁性礦物，但襯里表面吸附的介質(zhì)保護層也非常均勻堅固，否定了其前認為該礦用磁性襯里效果不如橡膠襯里的結論[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 在立式超細磨機上的應用

磁性耐磨襯里不管是應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，這是由礦山的選礦工藝技術條件制約造成的。

近年來，隨著優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源趨于枯竭，貧、細、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10萬噸，因此礦石的再磨細磨工藝技術日益受到重視。傳統(tǒng)的臥式球磨受其結構形式及工作機理的局限，在礦物的細磨作業(yè)中效率低下、能耗高，這使高效的立式細磨設備在金屬礦山的應用需求越來越大[9]。

臥式球磨機是靠筒體轉(zhuǎn)動從而帶動筒體內(nèi)的磨礦介質(zhì)運動，而立磨機則是筒體固定，由電機帶動高速旋轉(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[10]。立磨機中通常采用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磨設備的發(fā)展和普及。

針對立磨機介質(zhì)運動形態(tài)和筒壁磨損方式進行動態(tài)模擬和分析，北京礦冶研究總院為此研制了HM－LM立磨機專用橡膠耐磨磁性襯里，目前已經(jīng)應用于新開發(fā)的大型立式螺旋攪拌磨機上，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理。HM－LM耐磨磁性襯里原理同與一般臥式球磨機磁性襯里，不同之處在于根據(jù)立磨機的工作原理，弱化了抗沖擊性能，強化了耐腐蝕性能，從而也使該耐磨襯里比臥式球磨機磁性襯里要輕、薄很多，拆裝更方便，壽命預計可以達到三年以上，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。

圖4 安裝HM－LM耐磨磁性襯里的立磨機

5 結語

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

(2)HM型磁性耐磨襯里在磁性礦物磨礦領域的壽命可以達到高錳鋼襯里的6～8倍，具有不需維護、提高作業(yè)率、對選礦指標無不良影響、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域的壽命也可以達到高錳鋼襯里的3～5倍，同時具有磁性襯里的各項優(yōu)點;

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

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