孫云才，易海超

(1.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653405；2.中國銅業(yè)有限公司，云南 昆明 650051)

0 引言

大紅山銅礦位于云南省玉溪市新平縣戛灑鎮(zhèn)，是以含銅、鐵為主要金屬的大型礦床。銅礦物以黃銅礦為主，其次是斑銅礦，同時伴有微量的銅藍和孔雀石；鐵礦物以磁鐵礦為主，其次是黃鐵礦、赤鐵礦和微量褐鐵礦[1-2]。銅鐵礦石選礦流程為“先浮選銅后磁選鐵”的工藝流程，礦石中的銅礦物比較好選，浮選磨礦細度-200目占70%，選別流程簡單，使用藥劑種類少、用量低。為提高鐵精礦質量，在磁選粗精礦流程后再增加三段球磨系統(tǒng)。隨著礦山發(fā)展和生產規(guī)模的擴大，特別是2006年實施“萬噸技改”項目后，隨著產量的增加、供礦性質的改變，選礦生產工藝流程發(fā)生了很大的變化，之前的選礦條件已無法滿足技改之后的萬噸處理能力，而選礦選礦流程中球磨機襯板作為球磨系統(tǒng)的關鍵磨耗件，其質量、性質、壽命直接影響到原礦處理量、選礦指標和設備效率。

1 現(xiàn)狀

大紅山銅礦一選廠磨選車間現(xiàn)有球磨機設備10臺套，三段球磨機4臺套。磁性襯板改造前球磨機采用的都是市面上技術成熟的高錳鋼耐磨襯板，該襯板含錳10%～15%，碳含量較高，一般為0.90%～1.50%，大部分大于1.0%。錳鋼襯板通過螺絲連接方式安裝在球磨機上，球磨機運轉時，襯板在鋼球、礦石較大沖擊載荷和壓力下表面發(fā)生塑性變形，產生強烈的硬化，表面硬度可提高硬度為HRC45～55，沖擊韌性值≥25 J，此時有較高的耐磨性、耐沖擊性，實質上這種錳鋼襯板并不耐磨，在三段球磨系統(tǒng)上平均壽命只有13～14個月，每年必須停機約90 h進行更換錳鋼襯板，存在更換襯板時候安全風險較高，更換前后幾個月對選礦指標影響較大，全年設備開機率不足等諸多問題。自2007年以來，磁性襯板在一系列三段MQY245球磨機、二系列三段MQY2145球磨機、三系列三段MQY2736球磨機和MQY2130鐵循環(huán)球磨機上的成功應用，彌補了錳鋼襯板存在的不足，提高了設備運轉效率，超出了預期目標，整體綜合效益顯著。

2 磁性襯板的工作原理

了解磁性襯板的工作原理，才能選擇合適礦山實際的磁性襯板。葛俊波等[3]提出球磨機磨礦過程是利用磨礦介質與物料之間的沖擊和研磨、介質與襯板的沖擊與研磨過程中使被磨物料達到沖擊粉碎和研磨解離的過程。因此，鋼球和襯板的磨損是不可避免的。磁性襯板依靠自身磁性力緊緊吸附在磨機筒體上，初期工作時襯板表面由鐵礦粉、碎鋼球和小鋼球等物料在磨機運轉下，由于離心作用吸附在磁性襯板的表面，并在磁性襯板的磁場作用下，按磁路形成正弦波峰，并形成自襯層。由于球磨機長期運轉，自襯層上的鐵屑、碎鋼球逐漸被磁性襯板磁化，形成附帶磁性金屬墊層，由于墊層被磁化，在墊層的上面有磁性礦石物料和碎小鋼球組成的滾動層。在球磨機日常運行中，磁性金屬墊層不斷磨損，滾動層又不斷被磁化生成補充磁性金屬墊層，使得磁性金屬墊層厚度一直處于動態(tài)平均厚度且循環(huán)交替地保護磁性襯板本體。除此之外，磁性襯板獨特的磁路特性，使球磨機筒體及兩端襯板按照磁場線分布規(guī)律形成了自然波峰，保證了球磨機襯板提升鋼球的工作能力，且在襯板表面形成了約30 mm厚的磁性金屬墊層，減輕了物料、鋼球對磁性襯板本體的沖擊磨損，延長了磁性襯板使用周期。圖1為磁性襯板的結構及工作原理示意圖，圖2為磁場模擬分布圖。

圖1 磁性襯板的結構及工作原理示意圖

圖2 磁場模擬分布圖

3 磁性襯板的選用原則

磁性襯板是否適合一臺設備、一個系統(tǒng)、一種工藝，主要看三個條件：一是磁性襯板設計要合理，磁性材料選擇合適，襯板安裝完成后能夠產生足夠強度的磁場；二是磨礦介質中含有形成保護層需要的鐵磁性碎鋼鐵介質和物料；三是襯板具有足夠的結構強度，可以承受磨機工作時產生的沖擊力和剪切力。根據大紅山銅礦的礦山性質和工礦條件，為達到以上三個條件，大紅山銅礦選用金屬磁性襯板。

韓麗鎖等[4]研究指出金屬磁性襯板經常選用硬質條形永久磁鐵作為磁性單元，磁性襯板按照設計圖紙裝配到球磨機筒體上后，可以形成封閉的磁路，磁通、磁路和磁阻各項分布得到改善，球磨機金屬磁性襯板表面的磁場整體強度得到增強。吳建明[5]研究了磁場力與磁場強度的有關因素，下面通過對磁場強度的要求進行簡單的分析。

磁性襯板表面的磁場強度由吸附保護層所需要的磁場力所決定，所以按照保護層的質量、厚度、負荷性質，可確定所需要的磁場力和磁場強度。吸附保護層所需磁力fc為

fc=αμ0x0H0gradH0，N/kg，

(1)

式中：α為磁性襯板表面吸附強磁性保護層導致磁場強度和磁場非均勻性提高的大于1的修正系數(shù)；μ0為真空磁導率；x0為保護層中顆粒的物體比磁化率，m3/kg；H0為磁極面上的磁場強度，A/m；gradH0為磁場梯度，A/m2；H0gradH0為磁場力，A2/m3。其中，x0=k0/δ，k0為顆粒的物體體積磁化率；δ為顆粒密度，kg/m3。吸附保護層所需的磁力Fc為

Fc=αμ0k0VH0gradH0，N，

(2)

式中：V為保護層體積，m3。

由以上公式可知，磁性襯板在球磨機內部形成的一定的磁場強度，吸附金屬保護層除了需要足夠的磁場強度之外，還需要一定的磁場影響范圍(包括深度、寬度)。根據吳建明[5]的研究成果，表面磁場的作用深度又與磁性襯板磁極的極距、極隙以及磁系寬度等參數(shù)有關。永磁磁系沿磁極對稱面上距磁極表面不同距離y(m) 處的磁場強度Hx可以用公式(3)表示：

Hx=H0e-cy，A/m，

(3)

式中：c為磁場非均勻系數(shù)，m-1，由式(4)確定：

(4)

式中：l為磁極距，m；R為磁極表面半徑，m。距磁極表面不同距離y(m) 處的磁場力Fy為

(5)

式中：gradH為磁場梯度，A/m2。

由上述公式可以得出，磁極距的變化影響磁場非均勻系數(shù)的變化，進一步又對磁場強度和磁場影響范圍都有影響。在磁極表面中心處場強相同的情況下，大極距磁系靠近磁極表面處的場強較高，而遠離磁極表面后場強衰減較慢，即磁場影響范圍較小，小極距磁系則反之。圖3是通過實測的永磁鐵厚度與其表面磁感應強度的關系曲線，圖4是通過實測不同極距時磁場強度沿極面中心垂直方向的變化曲線。

圖3 永磁鐵厚度與其表面磁感應強度的關系曲線

圖4 不同極距時磁場強度沿極面中心垂直方向的變化曲線

從圖3、圖4可以看出磁極表面磁場強度與磁極的距離尺寸、磁鐵的厚度有直接關系。本次大紅山銅礦選用材料為鍶鐵氧體和高磁能的釹鐵硼復合永磁材料，磁性襯板厚度為60 mm，磁感應強度為120 mT的金屬磁性襯板，通過9年的應用，結合日常停機檢查，金屬磁性襯板的設計應用及整體磁場特性滿足磨選工藝指標各項要求。

4 磁性襯板在生產中的應用

一選廠磨選車間最早在2007年底三系列三段MQY2736溢流型球磨機上安裝了磁性襯板，到2017為止使用時間近9年，通過日常停機檢修時，技術人員定期進入球磨機內檢查磁性襯板，發(fā)現(xiàn)襯板整體厚度磨損較小，工作狀態(tài)良好。

磁性襯板在球磨機內的安裝比較嚴格，首先將球磨機筒體和端蓋的原螺栓孔完全封閉，礦漿不漏為合格，然后用清水筒體及端蓋內沖洗干凈，筒體或端蓋若不平整的區(qū)域，需處理平整后再鑲嵌磁性襯板，安裝時候襯板的金屬殼面向筒內，外弧面緊貼在球磨機內壁上，襯板之間不允許有間隙。磁性襯板安裝完后，初期運轉為了避免磁性襯板保護層形成太慢，設備啟動前可先加裝直徑小于20 mm的小鋼球約6 t和鐵精礦粉約5 t至球磨機內，在襯板表面形成初始保護層。球磨機初裝球規(guī)格為鑄鍛35×40 mm，40×45 mm，比例為1∶1，重量按27 t進行加球。球磨機實際運行約7日后，在磁性襯板表面逐步形成厚度約30 mm金屬磁性保護層，金屬保護層由于受磁場力作用，穩(wěn)固地吸附在磁性襯板表面上方，阻隔了磨礦介質與磁性襯板的直接碰撞與研磨，極大地降低了磁性襯板的直接磨損，實現(xiàn)的延長襯板運行壽命的目的。除此之外，使用磁性襯板的球磨機運轉過程中，沒有出現(xiàn)襯板脫落、陷落的現(xiàn)象以及設備漏礦、漏漿問題，有效提升設備完好率超過99%。磁性襯板的實際使用結果總體與程景峰[6]、王勇[7]、李志剛等[8]、姜冬林等[9]的研究結論一致。圖5為大紅山銅礦三系列三段MQY2736溢流型球磨機現(xiàn)場圖，圖6為筒體磁性襯板的磁塊安裝方式，圖7為現(xiàn)場工人磁性襯板安裝。

圖5 大紅山銅礦三系列三段MQY2736溢流型球磨機

圖6 筒體磁性襯板的磁塊安裝方式

圖7 磁性襯板現(xiàn)場安裝

5 磁性襯板的性能特點

5.1 磨損情況和壽命分析

磁性襯板與錳鋼襯板相比，具有重量輕，安裝便捷、使用壽命長等優(yōu)點。由于磁性襯板不需要螺栓固定，一套襯板一天即可安裝完成；由于襯板重量輕，減輕工人勞動強度，減少更換維修襯板時間。磁性襯板唯一缺點是一次性投資成本較高，當期投資回報率較低。

磁性襯板使用過程中，每年利用停機檢修曾多次進入球磨機內檢查，現(xiàn)場觀察來看襯板幾乎無磨損，使用效果較好。磁性襯板的堅硬金屬吸附層非常均勻和牢固，按正弦磁場線均勻排列，波形自然美觀[10]。圖8為安裝使用磁性襯板的MQY2700×3600球磨機進料端吸附層現(xiàn)狀。圖9為安裝磁性襯板的MQY2700×3600球磨機筒體吸附層現(xiàn)狀。

圖8 安裝磁性襯板的MQY2700×3600 球磨機進料端吸附層現(xiàn)狀

圖9 安裝磁性襯板的MQY2700×3600 球磨機筒體吸附層現(xiàn)狀

2007年至2017年每次年終檢修對該球磨機磁性襯板磨損情況進行測量。具體測量方法是在筒體、前端蓋和后端蓋3個位置上各選取3個測量點，使用小鏟將磁性襯板表面的吸附層沿球磨機軸線方向刮開一手掌大的區(qū)域，分別測量筒體襯板和端蓋襯板的磨損量和厚度。通過10年的測量數(shù)據分析可估算出，該套磨機使用的磁性襯板的整體壽命將超過10年，遠大于廠家設計使用壽命。由表1可直接得出，磁性襯板與錳鋼襯板相比，從長期成本和壽命上有較大優(yōu)勢。

表1 MQY2736球磨機使用錳鋼襯板與磁性襯板前后的參數(shù)對比

5.2 磁性襯板對磨機運轉率的影響

查看大紅山銅礦一選廠2005年至2015年近10年的襯板更換記錄，使用高錳鋼襯板的球磨機，每年需要更換錳鋼襯板1套，襯板更換時間為72 h。而磁性襯板更換除了第一年拆除更換安裝需要60 h外，在整個使用周期里幾乎不需要進行維護。按照10年壽命計算，已安裝使用磁性襯板的球磨機每年可至少節(jié)約62 h的襯板更換維護時間，實現(xiàn)球磨機運轉率達99%以上。

5.3 磁性襯板對選礦指標的影響

大紅山銅礦一選廠更換磁性襯板后，采集相關選礦指標，得出表2。

表2 MQY2700×3600球磨機分別使用磁性襯板與錳鋼襯板選礦指標參數(shù)對比

由表2可知，三段磨使用磁性襯板后，處理量提升了約30%，磨礦效率、給礦細度指標變化不明顯，鐵精礦排礦細度下降2%～4%，通過測量磨機鋼球充填率參數(shù)，發(fā)現(xiàn)安裝磁性襯板的球磨機，由于磁性襯板吸附了一層30 mm厚的金屬保護層，磨機筒體內部直接減少，導致筒體整體有效容積減少0.61 m3，影響排礦細度指標。雖然有上述影響因素，但是最終精礦品位基本無變化，不影響最終產品指標，磨礦綜合效能不變。

5.4 使用磁性襯板的其他優(yōu)點

1)磁性襯板靠比自身重量大5～6倍的磁吸引力在緊密吸附在磨機筒體上，消除了襯板與球磨機筒體相對運動的磨損問題，密閉了的磨機筒體原來的螺栓孔，消除了礦漿從螺栓孔泄露的隱患，間接減輕了礦漿對筒體的腐蝕，延長了磨機筒體的使用壽命。大紅山銅礦1999年投產以來，裝配高錳鋼襯板的筒體使用壽命一般為7年；2007年裝配應用磁性襯板以來，筒體使用時間超過了10年，保守估計至少可延長壽命2倍以上。

2)磁性襯板單塊體積較小，重量較輕，每塊約10 kg，且安裝時候不需要螺栓進行固定，工人裝配方便，減輕了工人檢修作業(yè)體力強度，有效避免了因襯板安裝時重量太重而引發(fā)人身安全事故。

3)安裝高錳鋼襯板的球磨機，若發(fā)生端蓋螺栓斷裂或脫落問題，礦漿、礦砂就會隨著螺栓孔泄露至大齒輪面上，容易導致大小齒輪潤滑不良，加速大小齒輪磨損，降低大小齒輪的使用壽命。2007年裝配應用磁性襯板以來，由于螺栓孔被全部密閉，消除了礦漿泄露隱患，使大小齒輪組的壽命整體延長，經檢修記錄統(tǒng)計，小齒輪壽命延長1.5倍，大齒輪壽命延長2倍。

4)磁性襯板表面吸附碎球及磁性礦物組成的堅硬，避免磨礦介質鑄鍛球和球磨機筒體襯板之間直接撞擊而產生碎半球，而且金屬保護層還起磨礦介質作用，從而達到減少磨礦鑄鍛球的消耗。經實際測量，鑄鍛球單耗減少0.04 kg/t原礦，鋼球單耗有效降低了10%～12%。

5)磁性襯板厚度薄，約為高錳鋼襯板的40%；重量輕，約為高錳鋼襯板的60%。磁性襯板有利于減少球磨機整體重量，使得電動機的實際軸功率減少，實際測量與其他同系統(tǒng)設備運行電流相比，約下降了10 A，電單耗下降了5%～7%，節(jié)能效果明顯。

6 結論

大紅山銅礦2007年使用第一套磁性襯板以來，經過10年的生產實踐，驗證了磁性襯板在磁鐵礦應用的可行性，使用磁性襯板對提高磨機作業(yè)率、降低鋼球單耗、降低周邊環(huán)境噪音、節(jié)約能源、提高經濟效益等方面效果顯著。除此之外，減少了襯板檢修作業(yè)頻次，降低了工人勞動強度，安全效益更加明顯。大紅山銅礦目前使用的三段球磨機已經全部更換使用磁性襯板，并且從2015年開始，逐步將嘗試在二段球磨機上進行試用，探索磁性襯板在磁鐵礦各選礦工藝流程的應用。