江西耐普礦機新材料股份有限公司 江西上饒 334000

自 20 世紀 80 年代以來，伴隨著自動化水平的提高，半自磨 — 球磨流程逐漸成為應用廣泛的磨礦工藝流程。作為該流程的核心設備，半自磨機不僅兼有沖擊破碎和研磨的特點，而且還能有效處理各種不同硬度的礦物，且其規(guī)格及處理能力也日益增大。這種大型磨機的作業(yè)率往往會在很大程度上影響到整個礦山的運行成本，因此必須盡量減少磨機的停機時間[1]。磨機停機的一個重要原因就是對磨損和斷裂的襯板進行更換，據(jù)選礦廠統(tǒng)計，襯板更換時間占整個停機時間的 95%。研究襯板的磨損原因，進而對襯板進行優(yōu)化，對提高襯板使用壽命、減少停機時間、增加設備利用率有著重大意義。影響半自磨機筒體襯板磨損速率的因素有很多，包括襯板的結構、材料、磨機填充率、鋼球直徑和級配等。針對磨機襯板的磨損研究，陳佳俠等人[2]對襯板的沖擊磨損機理進行了研究，得出提高襯板用鋼熔煉質量，減少襯板夾雜物，并在保證襯板高硬韌性前提下，進一步提高其韌性，將是提高半自磨機襯板使用壽命的必要條件和主要路徑。劉建平等人[3]利用離散元方法對襯板提升條的排數(shù)、面角及高度等進行了優(yōu)化，達到了提高襯板使用壽命的目的。已經(jīng)明確優(yōu)化襯板結構可以使襯板使用壽命得到提高，已有的大部分研究是基于改變顆粒的落點，從而減少對襯板的沖擊來達到延長襯板使用壽命的目的，對于結構對磨損的具體影響還鮮有研究。

筆者以江西某選礦廠半自磨機筒體襯板為模型，采用離散元方法對其磨損情況進行模擬研究，再與大空間激光掃描儀掃描的結果進行對比分析，驗證了模擬分析的可靠性。該方法可準確地分析不同結構磨機襯板的壽命及預測襯板的磨損位置，為襯板的結構優(yōu)化提供理論支撐。

1 離散元模擬分析

1.1 研究對象

以江西某選礦廠半自磨機襯板為模型，實際上，一般工業(yè)用半自磨機結構大同小異，因此本研究結果具有一定的泛化參考價值。磨機工況參數(shù)如表 1 所列。襯板采用 33 等分，其中提升條高度為 325 mm，其結構如圖 1、2 所示。由于磨機尺寸比較大，內部顆粒非常多，故此次研究只截取 0.6 m 的長度進行模擬分析。

表1 磨機工況參數(shù)Tab.1 Operating parameters of mill

圖1 模擬襯板結構示意Fig.1 Liner structure in simulation

1.2 參數(shù)設置

圖2 單件襯板尺寸Fig.2 Size of single liner

采用 Rocky dem 模擬軟件對筒體襯板進行模擬，總充填率為 25%，鋼球充填率為 9%。為了加快計算速度采用圓球模型，研磨介質為鋼球，研磨3 種礦石，磨損系數(shù)為 30第 10 s 開始記錄磨損，磨損模擬總時間為 72 s，即總的計算模擬時間為 82 s。

1.3 模擬結果

某一時刻的離散元模擬過程如圖 3 所示。提取其中一塊襯板進行分析，如圖 4 所示。

圖3 半自磨機離散元模擬過程Fig.3 Discrete element simulation process of semi-autogenous grinding mill

圖4 筒體襯板磨損Fig.4 Wear of drum liner

提升條磨損量對比如表 2 所列，其中第 2 階段的磨損速率為第一階段的 1.78 倍。

表2 提升條位置 1 處磨損量對比Tab.2 Comparison of lifter at position 1 in wear amount

2 筒體襯板磨損激光掃描跟蹤

非接觸式激光掃描儀在工作過程中無需人工參與，在 15 min 內可自動完成超過 1 000 萬點的掃描工作，誤差在±3 mm 以內。將得到的點云模型導入計算機后，與最初的磨機幾何模型進行對比和處理，即可通過彩色云圖等方式全面了解襯板磨損等信息[4]。圖 5 所示為半自磨機三維掃描現(xiàn)場，三維掃描儀安裝于三角架上，固定在磨機內。

圖5 三維掃描儀測量現(xiàn)場Fig.5 Measurement scene with 3D scanner

分別于 2020 年 1 月 19 日、3 月 19 日及 5 月 20日對該半自磨筒體襯板進行了 3 次掃描。對掃描點云進行比對處理，如圖 6 所示，可觀察到各個區(qū)域磨損程度的差異。

圖6 筒體掃描云圖 3D 比較Fig.6 3D comparison of scanned drum contours

通過對掃描數(shù)據(jù)進行處理，得到提升條使用壽命周期內截面輪廓變化如圖 7 所示。提升條使用分為 2 個階段，每個階段使用時間均為 60 d，2 個階段磨損數(shù)據(jù)如表 3 所列。根據(jù)提升條剩余厚度，可以計算出提升條的磨損速率，提升條第 1 階段的磨損速率為第 2 階段磨損速率為第2 階段磨損速率是第 1 階段的 1.97 倍。說明提升條在使用周期的磨損速率是不均勻的，使用前期和后期磨損速率差異很大，這與襯板結構及襯板材料內部組織均勻性都有一定的關系。為了弄清楚各個因素的影響程度，需要進一步的研究。

圖7 提升條使用壽命周期內截面輪廓變化Fig.7 Variation of cross-section prof ile during lifespan cycle of lifter

表3 提升條使用過程中的磨損量對比Tab.3 Comparison of lifter during service in wear amount

3 對比分析

離散元模擬襯板磨損第 1 階段后的截面形狀與實際使用后的激光掃描輪廓進行對比，如圖 8 所示，其外形輪廓變化基本一致，證明這種模擬方法是可靠的。

圖8 筒體襯板實際磨損與模擬磨損對比Fig.8 Comparison of actual measured wear and simulated wear of drum liner

模擬第 1 階段磨損量為 73.78 mm，第 2 階段磨損量為 130.99 mm，第 2 階段的磨損速率是第 1 階段的 1.78 倍，因為模擬中設置材料參數(shù)保持不變，所以這個磨損速率的差異是由結構導致的。實際使用 3D掃描測量數(shù)據(jù)，第 1 階段磨損量為 89 mm，第 2 階段為 175 mm，第 2 階段磨損速率是第 1 階段的 1.97倍。襯板實際應用過程中的磨損速率不僅受結構變化的影響，還受到襯板材料組織不均勻性的影響，所以在半自磨機襯板應用過程中，提升條的結構變化對其磨損速率起決定性作用，而材料組織的均勻性也有一定的影響。

4 結論

通過對半自磨機襯板的實際磨損情況的測量及離散元法模擬磨損分析，證明使用離散元方法模擬的可靠性。

(1) 使用離散元法對襯板的磨損模擬可以預測襯板的磨損位置，指導襯板的設計，為復合提升條的排布提供參考，對襯板進行結構優(yōu)化，提高其使用壽命。

(2) 半自磨機筒體提升條使用過程中的磨損速率是不均勻的，其結構變化起決定性作用，材料組織的均勻性也有一定的影響。